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Stand der Technik
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Für den Aufbau elektrischer Maschinen steht heute eine große Anzahl unterschiedlicher Wirkprinzipien zur Verfügung. Eine elektrische Maschine kann beispielsweise als Gleichstrommaschine, Drehstromsynchronmaschine oder Drehstromasynchronmaschinen ausgebildet sein, wobei ein veränderliches oder permanentes Erregerfeld angewendet werden kann. Hinsichtlich ihrer Funktionsweise lassen sich die unterschiedlichen Topologien generell in Typen mit stationärem Statorfeld und umlaufenden Läuferfeld bzw. umlaufendem Statorfeld und feststehendem Läuferfeld einteilen. Die Auswahl einer geeigneten Bauweise hängt von Kriterien wie Leistungsbedarf, Einschaltdauer, Überlastfähigkeit, Energieeffizienzanforderung und dergleichen ab.
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Im Bereich elektrischer Kleinantriebe ist der Einsatz mechanisch kommutierter Gleichstrommotoren weit verbreitet. Diese elektrischen Maschinen verfügen über einen Stator mit schalenförmigen Dauermagneten, die ein ruhendes Statorfeld dauerhaft bereitstellen. In einem Läufer der elektrischen Maschine sind Wicklungen aus Kupferlackdraht eingebracht, die elektrisch leitend mit Lamellen eines Kollektors verbunden sind. Bei Bestromung des Kollektors über Kohlebürsten kommt es zum Stromfluss in der Läuferwicklung und gleichzeitig zur Ausbildung des Läuferfelds, wodurch der Läufer im Statorfeld ausgerichtet wird. Die dadurch hervorgerufene Lageänderung des Läufers führt dazu, dass die Kollektorlamellen sich unter den Kohlebürsten bewegen und dadurch die nächste Wicklung bestromt wird. Dies führt zu einer Neuausrichtung des Läuferfelds und damit zu einer fortschreitenden Rotationsbewegung des Läufers.
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Elektrische Maschinen dieser Bauart kommen vor allem in preissensitiven Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise bei Fensterhebern, Scheibenwischern, Sitzverstellungen, Lenkhilfen und dergleichen, oder bei elektrischen Werkzeugen, wie beispielsweise Handgeräten in Form von Akkuschraubern und dergleichen, zum Einsatz. Neben einer sehr einfachen Regelbarkeit zählen bewährte Herstellungsprozesse und eine dadurch günstige Fertigung zu den Vorteilen mechanisch kommutierter Gleichstrommotoren. Die wesentlichen Nachteile dieser Gleichstrommotoren liegen in der mechanischen Kommutierung, da die Kohlebürsten prinzipbedingt Verschleiß unterliegen und es bei der Kommutierung zu Funkenbildung kommen kann. Zudem ist die Leistungsdichte eines mechanisch kommutierten Gleichstrommotors aufgrund der mechanischen Stromübertragung am Kollektor und der insbesondere bei hohen Schutzarten geringen Wärmeabfuhr begrenzt.
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Als Alternative zu mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren sind elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren (sogenannte bürstenlose Gleichstrommotoren oder EC(electronically commutated)-Gleichstrommotoren) bekannt. Deren Läufer sind mit Dauermagneten ausgestattet, die ein permanentes, relativ zur Läuferwelle stationäres Magnetfeld ausbilden. Die Rotation des Läufers wird durch Statorwicklungen hervorgerufen, die abhängig von der Läuferlage durch eine vorgeschaltete Leistungselektronik bestromt werden. Durch Modulation von Stromrichtung, Strombetrag und Stromfrequenz wird im Stator ein umlaufendes Magnetfeld generiert. Durch die elektromagnetische Bindung von Läuferfeld und Statorfeld wird ein Drehmoment auf den Läufer hervorgerufen, das zum Antreiben einer Last genutzt werden kann. Wesentliche Vorteile von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren gegenüber klassischen mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren sind eine bessere Regelbarkeit, höhere Robustheit durch der Entfall von Verschleißteilen, wie beispielsweise Bürsten, sowie eine höhere Leistungsdichte und eine höhere Energieeffizienz. Allerdings erfordert eine Realisierung von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren stets den Einsatz einer Antriebseelektronik zur Umwandlung einer am Eingang anliegenden Gleichspannung in zum Aufbau des Statorfelds notwendige Phasenströme. Eine solche Antriebselektronik umfasst üblicherweise sowohl logische als auch leistungselektronische Funktionen.
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Neben der klassischen Ansteuerung von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren über eine separate Antriebselektronik ist eine Integration der Antriebselektronik in den mechanischen Aufbau von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren bekannt. Vor allem geringer Platzbedarf und Reduzierung des Schalt- und Anschlussaufwands sind dabei als Vorteile zu nennen. Stand der Technik ist eine axiale oder transversale Integration einer konventionellen Leiterplatte in einen elektrisch kommutierten Gleichstrommotor, die durch einen separaten, auf das Motorgehäuse montierten Deckel gegen Umwelteinflüsse geschützt wird. Je nach geforderter Schutzart kommen zur Erhöhung der Dichtigkeit zusätzliche Dichtelemente zum Einsatz. In die Antriebselektronik sind zudem häufig Komponenten zur Bestimmung der Läuferlage integriert, deren exakte Kenntnis wesentlich für die elektronische Kommutierung ist. Bekannt ist ebenso eine Anfertigung einer separaten Leiterplatte mit den zur Funktionserfüllung notwendigen elektronischen Schaltungen und Bauteilen, die in einer Endmontage an einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor angebaut wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Lagerschild für eine elektrische Maschine, insbesondere einen bürstenlosen Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch wenigstens einen Grundkörper und wenigstens eine auf dem Grundkörper angeordnete Antriebselektronik zum Antreiben der elektrischen Maschine.
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Mit dem erfindungsgemäßen Lagerschild kann der Aufbau einer mit einem solchen Lagerschild ausgestatteten elektrischen Maschine vereinfacht werden, da mechanische Funktionen, insbesondere eine Lagerung einer Läuferwelle der elektrischen Maschine, und elektronische Funktionen, insbesondere der Antrieb der elektrischen Maschine, in ein einziges Bauteil, nämlich das Lagerschild, der elektrischen Maschine integriert sind. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen können hierdurch die Anzahl von bei einer Endmontage einer elektrischen Maschine vorhandenen Motorbauteilen, der mit einer solchen Endmontage verbundene Montageaufwand sowie eine bei der Endmontage erfolgende Handhabung empfindlicher Elektronikkomponenten reduziert werden.
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Insbesondere ist gemäß der Erfindung keine Handhabung von separaten empfindlichen Leiterplatten erforderlich. Dies geht mit einer Verbesserung von Produkteigenschaften und mit einer Senkung von Herstellkosten einher. Mittels des erfindungsgemäßen Lagerschilds können im Vergleich zu herkömmlich ausgebildeten elektrischen Maschinen elektrische Maschinen mit einem kompakteren Aufbau hergestellt werden. Da gemäß der Erfindung nicht, wie herkömmlich, eine separate Leiterplatte mit einer Antriebselektronik vorhanden ist, sondern die Antriebselektronik mit dem Grundkörper zu einem einzigen Bauelement kombiniert ist, kann Gewicht, unter anderem für bei herkömmlichen leiterplattenbasierten Lösungen erforderliche elektrische Kontaktierungs- und mechanische Befestigungselemente, eingespart werden. Das erfindungsgemäße Lagerschild kann auch als mechatronisches Lagerschild bezeichnet werden.
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Das erfindungsgemäße Lagerschild kann bei allen elektrischen Maschinen mit einer integrierten Antriebselektronik verbaut werden.
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Als Lagerschild wird üblicherweise ein hinterer und vorderer Deckel eines Gehäuses einer drehenden elektrischen Maschine bezeichnet. Ein Lagerschild schützt in dem Gehäuse liegende Maschinenbauteile gegen Berührung. Zudem kann ein Lagerschild ein Wellenende einer Läuferwelle einer drehenden elektrischen Maschine aufnehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Grundkörper als spritzgegossener Schaltungsträger ausgebildet. Hiermit wird ein Lagerschild in 3D-MID(„Molded Interconnect Devices“)-Bauweise vorgeschlagen. Die elektrischen Leiterbahnen können nachträglich in den spritzgegossenen Grundkörper eingebracht werden. Die an dem Grundkörper angeordneten elektrischen Leiterbahnen ermöglichen eine unmittelbare Anordnung von elektronischen Bauelementen der Antriebselektronik an dem Grundkörper. Durch den Entfall von herkömmlichen separaten Bauteilen, wie beispielsweise einer Leiterplatte, kann weiter Gewicht eingespart werden. Zudem ist hiermit eine Senkung von Material- und Herstellkosten verbunden. Die Ausbildung des Grundkörpers als Kunststoffbauteil ist gegenüber der herkömmlichen Verwendung von Metallbauteilen mit einer deutlichen Gewichtsreduktion verbunden. Zudem ermöglicht die Herstellung des Lagerschilds als Kunststoffspritzgussteil die Realisierung vergleichsweise günstiger Werkzeug- und Prozesskosten. Ferner sind Kunststoffe kaum anfällig für Korrosion, so dass das Lagerschild unempfindlich gegenüber, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich gegebenen, aggressiven Medien ist. Die elektrischen Leiterbahnen können beispielsweise mittels eines 2-Komponenten-Spritzgussverfahrens, mittels Laserstrukturieren mit nachträglicher Metallisierung, mittels Heißprägen oder dergleichen in den Grundkörper eingebracht werden. Die elektronischen Bauteile der Antriebselektronik können unmittelbar auf die hierdurch in den Grundkörper eingebrachten Schaltkreise aufgesetzt und, beispielsweise durch Löten, Leitkleben oder dergleichen, elektrisch kontaktiert werden. Der Grundkörper kann aus einem für Laserlicht transparenten Kunststoff hergestellt sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Antriebselektronik wenigstens eine elektronische Logikeinheit, wenigstens eine elektrische Leistungselektronik, wenigstens eine elektrische Kontaktierungseinheit und/oder wenigstens eine elektrische Sensoreinheit auf. Mittels der elektrischen Sensoreinheit kann der jeweilige Zustand einer entsprechend ausgestatteten elektrischen Maschine bzw. die jeweilige Lage des Läufers der elektrischen Maschine erfasst werden. Der jeweilig erfasste Zustand einer elektrischen Maschine kann der elektronischen Logikeinheit, beispielsweise einem Mikroprozessor, zugeführt und von dieser durch entsprechendes Beschalten der Antriebselektronik zum Antreiben der elektrischen Maschine verarbeitet und ausgewertet werden. Über die elektrische Leistungselektronik kann eine Versorgung von Statorwicklungen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie erfolgen. Die elektrische Kontaktierungseinheit kann zur elektrischen Kontaktierung von Wicklungen eines Stators der elektrischen Maschine mit der Antriebselektronik, zur elektrischen Kontaktierung der Antriebselektronik mit einer externen Energieversorgung und/oder als Kommunikationsschnittstelle zur Kommunikation mit einer externen Kommunikations- und/oder Steuerungseinrichtung. Die Antriebselektronik kann auch durch mindestens einen Teil der elektrischen Logikeinheit, z. B. durch einen Sensor zur Rotorlageerfassung, gebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Antriebselektronik wenigstens einen Energieversorgungsanschluss und wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle aufweist. Über den Energieversorgungsanschluss kann eine mit diesem Lagerschild ausgestattete elektrische Maschine mit elektrischer Energie versorgt werden. Über die Kommunikationsschnittstelle kann die Antriebselektronik von externen Steuereinheiten Kommunikationssignale erhalten oder Kommunikationssignale nach extern senden. Der Energieversorgungsanschluss und/oder die Kommunikationsschnittstelle können zur Ausbildung einer Steckerverbindung dienen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Grundkörper wenigstens eine Aufnahme für ein Gleitlager oder ein Wälzlager auf. Über das Gleitlager bzw. Wälzlager kann eine Läuferwelle einer elektrischen Maschine drehbar an dem Lagerschild gelagert werden. Die Aufnahme kann als Buchse für ein Gleitlager oder als Sitz für ein Wälzlager, insbesondere Kugellager, ausgebildet sein. Die Aufnahme kann aus Kunststoff oder Metall gebildet sein, wobei in letzterem Fall ein entsprechender Metallkörper zur Verbindung mit dem übrigen Grundkörper während eines Spritzgussverfahrens teilweise umspritzt werden kann. Das Gleitlager kann in den Grundkörper bzw. dessen Aufnahme während eines Spritzgussverfahrens unmittelbar eingespritzt oder ein entsprechendes Einlegeteil umspritzt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Grundkörper wenigstens ein Formelement zur Fixierung und/oder elektrischen Kontaktierung von zumindest einem Wicklungsende einer Wicklung des Läufers oder des Stators der elektrischen Maschine an den elektrischen Leiterbahnen des Grundkörpers auf. Hierdurch ist ein Wicklungsende nicht allein über seine elektrische Kontaktierung an dem Lagerschild fixiert, was mit einer robusteren Ausgestaltung einer mit dem Lagerschild versehenen elektrischen Maschine einhergeht. Der Grundkörper kann durch eine geeignete Anordnung weiterer Formelemente an dem Grundkörper zudem eine Möglichkeit zur verdeckten elektrischen Kontaktierung zwischen der Antriebselektronik und Wicklungsenden bieten.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem Grundkörper wenigstens ein metallisches Bauelement angeordnet. Mit dem metallischen Bauelement sind eine Verbesserung thermischer Eigenschaften, beispielsweise der Kühlung der Antriebselektronik, und/oder eine Verbesserung elektromagnetischer Eigenschaften, beispielsweise eine Beeinflussung der Antriebselektronik durch das elektromagnetische Aktivteil (Statorwicklungen, Läuferwicklungen) einer elektrischen Maschine, verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Lagerschild wenigstens ein zwischen dem Grundkörper und einem Gehäuse der elektrischen Maschine anordbares Dichtelement auf, über das ein die Antriebselektronik beinhaltender Raum innerhalb des Grundkörpers und des Gehäuses gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine abdichtbar ist. Hierdurch kann die Antriebselektronik effektiv vor Umwelteinflüssen, insbesondere Staub und Feuchtigkeit, geschützt werden. Das Dichtelement kann als an den Grundkörper angespritzte Dichtlippe ausgebildet sein. An dem Grundkörper können auch zwei oder mehrere Dichtelemente angeordnet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass an dem Grundkörper wenigstens ein Formelement zur mechanischen Verbindung des Grundkörpers mit einem mit der elektrischen Maschine zu verbindenden Bauteil angeordnet ist. Über das Formelement kann beispielsweise ein der elektrischen Maschine nachgeschaltetes Getriebe mit der elektrischen Maschine verbunden werden. An dem Grundkörper können auch Montagebohrungen oder dergleichen ausgebildet sein, um das Lagerschild bzw. eine damit ausgestattete elektrische Maschine mit einem weiteren Bauteil mechanisch verbinden zu können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Antriebselektronik derart an dem Grundkörper angeordnet und ausgebildet, dass bei einer Anordnung des Lagerschilds an einem Gehäuse der elektrischen Maschine eine elektrische Kontaktierung zwischen der Antriebselektronik und einer Wicklung des Stators oder des Läufers der elektrischen Maschine selbsttätig herstellbar ist. Hierzu kann beispielsweise eine Schneidklemmtechnik eingesetzt werden. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung der Wicklungen des elektromagnetischen Aktivteils einer elektrischen Maschine mit der Antriebselektronik vor der Montage des Lagerschilds an dem Gehäuse vorgenommen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren eine elektrische Maschine, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, mit einem Gehäuse und zwei axiale Enden des Gehäuses verschließende Lagerschilde, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lagerschild gemäß einem der vorhergenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben ausgebildet ist. Mit dieser elektrischen Maschine sind die oben mit Bezug auf das Lagerschild genannten Vorteile entsprechend verbunden.
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Die elektrische Maschine kann einen mit Permanentmagneten bestückten Magnetläufer, ein elektromagnetisches Aktivteil, ein das elektromagnetische Aktivteil tragendes Statorgehäuse und zwei axiale Enden des Statorgehäuses verschließende Lagerschilde aufweisen. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als bürstenloser Gleichstrommotor oder als umrichtergespeiste Drehstrommaschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann beispielsweise zum Antrieb einer Scheibenwischanlage, einer elektrischen Sitzverstellung, eines Schiebedachs oder als Gebläse-/Lüftermotor, als elektrische Öl-/Wasserpumpe, als ABS-Aktor oder dergleichen verwendet werden. Des Weiteren kann die elektrische Maschine zur Ausbildung eines elektrischen Werkzeugs, wie beispielsweise eines Akkuschraubers, Akkubohrers, Akkuhobels oder dergleichen, verwendet werden. Auch kann die elektrische Maschine im Bereich von Logistik oder Produktion eingesetzt werden, beispielsweise um einen Förderantrieb oder einen Antrieb für eine Handhabungseinrichtung auszubilden.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung sind das Gehäuse und wenigstens ein Lagerschild derart ausgebildet, dass das Lagerschild über einen Rastmechanismus an dem Gehäuse fixierbar ist. Der Rastmechanismus kann beispielsweise durch einen Schnappmechanismus, einen Clipsmechanismus oder dergleichen ausgebildet sein. Durch den Rastmechanismus ist das Lagerschild ohne zusätzliche Fügehilfsmittel, wie beispielsweise Verschraubungen oder dergleichen, an dem Gehäuse der elektrischen Maschine fixierbar.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
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1: eine schematische Explosionszeichnung einer herkömmlichen elektrischen Maschine,
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2: eine schematische Explosionszeichnung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
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3: eine schematische Explosionszeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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1 zeigt eine schematische Explosionszeichnung einer herkömmlichen elektrischen Maschine 1 in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, an dem eine Statorwicklung 20 angeordnet ist, die in ein Blechpaket 3 aus Weicheisen eingebaut ist. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 1 einen Läufer 4 mit einer Läuferwelle 5. Die Läuferwelle 5 ist abtriebseitig über ein Lagerschild 6 und nicht-abtriebsseitig über ein Lagerschild 7 an dem Gehäuse 2 gelagert bzw. lagerbar. An den Lagerschilden 6 und 7 ist jeweils eine Aufnahme 8 zur Aufnahme eines Gleitlagers oder Kugellagers 9 angeordnet. Zudem weist die elektrische Maschine mindestens 1 eine separate Platine 10 mit einer Logik- und Leistungselektronik auf. Ferner umfasst die elektrische Maschine 1 eine Schutzhaube 11, welche über das links gezeigte Ende des Gehäuses 2 gesteckt werden kann, insbesondere um die Platine 11 vor Umwelteinflüssen zu schützen.
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2 zeigt eine schematische Explosionszeichnung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 12 in Form eines bürstenlosen Gleichstrommotors. Bauteile der elektrischen Maschine 12, welche entsprechend bei der elektrischen Maschine 1 gemäß 1 realisiert sind, sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die elektrische Maschine 12 umfasst ein Gehäuse 2 und zwei axiale Enden des Gehäuses 2 verschließende Lagerschilde 6 und 13. Das Lagerschild 13 ist erfindungsgemäß ausgebildet und umfasst einen Grundkörper 14 und eine an dem Grundkörper 14 angeordnete Antriebselektronik 15 zum Antreiben der elektrischen Maschine 12, wobei von der Antriebselektronik 15 elektronische Bauelemente 16 zu sehen sind. Der Grundkörper 14 ist als spritzgegossener Schaltungsträger aus Kunststoff ausgebildet, an dem nicht gezeigte elektrische Leiterbahnen der Antriebselektronik 15 angeordnet sind.
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Die Antriebselektronik 15 umfasst wenigstens eine elektrische Logikeinheit, wenigstens eine elektrische Leistungselektronik, wenigstens eine elektrische Kontaktierungseinheit und/oder wenigstens eine elektrische Sensoreinheit, wobei diese Einheiten nicht näher dargestellt sind. Des Weiteren umfasst die Antriebselektronik 15 wenigstens einen Energieversorgungsanschluss und wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle, was ebenfalls nicht näher dargestellt ist. Die Antriebselektronik 15 ist derart an dem Grundkörper 14 angeordnet und ausgebildet, dass bei einer Anordnung des Lagerschilds 13 an dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 12 eine elektrische Kontaktierung zwischen der Antriebselektronik 15 und einer Statorwicklung 20 der elektrischen Maschine 12 selbsttätig herstellbar ist.
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Der Grundkörper 13 weist eine Aufnahme 17 für das links dargestellte Kugellager 9 auf. Zudem umfasst der Grundkörper 13 wenigstens ein nicht dargestelltes Formelement zur Fixierung von zumindest einem Wicklungsende einer Statorwicklung 20 der elektrischen Maschine 12 an dem Grundkörper 14. Des Weiteren ist an dem Grundkörper 14 wenigstens ein nicht gezeigtes metallisches Bauelement angeordnet. An dem Grundkörper 14 ist wenigstens ein nicht gezeigtes Dichtelement angeordnet, um den Grundkörper 14 gegenüber dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 12 abzudichten. Ferner ist an dem Grundkörper 14 wenigstens ein nicht gezeigtes Formelement zur mechanischen Verbindung des Grundkörpers 14 mit einem mit der elektrischen Maschine 12 zu verbindenden, nicht gezeigten Bauteil angeordnet. Das Gehäuse 2 und das Lagerschild 13 sind derart ausgebildet, dass das Lagerschild 13 über einen nicht dargestellten Rastmechanismus an dem Gehäuse 2 fixierbar ist.
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3 zeigt eine schematische Explosionszeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 12. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an dem Lagerschild 13 eine Aufnahme 18 angeordnet, an der ein Gleitlager 19 angeordnet ist.
