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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen elektrischen Servomotor in einem Lenksystem, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bekannt sind elektrische Servomotoren in Lenksystemen von Fahrzeugen, über die ein die Lenkbewegung unterstützendes Servomoment erzeugt werden kann, welches über ein Lenkgetriebe in das Lenksystem eingespeist wird. Der elektrische Servomotor ist beispielsweise als permanenterregter Drehstrommotor ausgebildet und weist bestrombare Wicklungen auf, deren elektrisches Wechselfeld mit dem Magnetfeld von Permanentmagneten interagiert. Die Bestromung der Wicklungen erfolgt über ein Steuergerät, das beispielsweise stirnseitig am Gehäuse des Servomotors angeordnet ist, wobei der Wicklungsdraht der Wicklungen über Steueranschlüsse wie zum Beispiel Schneid-Klemm-Verbindungsteile elektrisch angesteuert wird. Alternativ zu der Kontaktierung über Schneid-Klemm-Verbindungsteile kommt auch eine Schweißverbindung in Betracht, welche jedoch den Nachteil hat, dass die Schweißstelle von außen zugänglich sein muss und der Verbindungsvorgang mit einem höheren Aufwand verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine elektrische Maschine in der Weise auszubilden, dass der Wicklungsdraht der Wicklungen in einfacher mechanischer Weise mit einem Steuergerät verbunden werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist mehrere bestrombare Wicklungen auf, deren Wicklungsdraht jeweils über ein elektrisch leitendes Verbindungselement mit einem Steuergerät verbunden ist, beispielsweise über Steueranschlüsse. Vorzugsweise sind sämtliche Wicklungen mit gleichartigen Verbindungselementen mit dem Steuergerät verbunden. Das Verbindungselement ist elektrisch leitend ausgebildet und als eine Speednut ausgeführt, die aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Über die Speednut wird zum einen der Wicklungsdraht der Wicklung mechanisch fixiert, zum andern wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Wicklungsdraht und dem Steuergerät geschaffen, so dass der Strom zwischen dem Steuergerät und dem Wicklungsdraht über die Speednut geleitet wird. Der Speednut kommt somit neben der mechanisch sichernden und tragenden Funktion für den Wicklungsdraht auch eine elektrisch leitende Funktion zu. Darüber hinaus sind keine Verbindungselemente für die elektrische Kontaktierung des Wicklungsdrahtes erforderlich. Pro anzuschließendem Wicklungsdraht wird hierbei eine Speednut verwendet.
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Bei der Speednut handelt es sich um ein elektrisch leitendes Bauteil, das nach Art einer Blechmutter aufgebaut ist und zumindest zwei elastisch federnde Klemmlaschen aufweist, welche eine Durchtrittsöffnung begrenzen, durch die der Wicklungsdraht geführt ist. Aufgrund ihrer Eigenelastizität liegen die Klemmlaschen an der Außenseite des Wicklungsdrahtes an und beaufschlagen diese mit einer radialen Klemmkraft. Sowohl die mechanisch sichernde Funktion als auch die elektrisch leitende Funktion wird somit von den Klemmlaschen ausgeführt, wobei die radiale Klemmkraft sowohl sicherstellt, dass der Wicklungsdraht in mechanisch hinreichender Weise mit der Speednut verbunden ist, als auch ein ausreichender elektrischer Kontakt und damit ein Stromfluss zwischen Speednut und Wicklungsdraht gewährleistet ist.
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Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Herstellbarkeit der Verbindung zwischen Speednut und Wicklungsdraht, der lediglich durch die Durchtrittsöffnung hindurchgeschoben werden muss. Hierbei weiten sich die Klemmlaschen elastisch auf und erzeugen über ihre elastische Rückstellkraft die radiale Klemmkraft, die auf die Außenseite des Wicklungsdrahts wirkt.
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Im unbelasteten Ausgangszustand der Klemmlaschen ist der Durchmesser der Durchtrittsöffnung kleiner als der Außendurchmesser des durchzuführenden Wicklungsdrahtes. Der Unterschied beträgt beispielsweise mindestens 20 %, um die der Durchtrittsöffnungsdurchmesser kleiner ist als der Wicklungsdraht-Außendurchmesser. Der Größenunterschied gewährleistet, dass mit dem Hindurchführen des Wicklungsdrahts durch die Durchtrittsöffnung die Klemmlaschen axial – in Durchführrichtung – aufgebogen werden und aufgrund ihrer elastisch federnden Eigenschaft eine radiale Rückstellkraft in Richtung auf die Mantelfläche des Wicklungsdrahtes ausüben. Der Durchmesserunterschied ist einerseits groß genug, um eine gewünschte, hohe radiale Klemmkraft zu erzeugen, welche den Wicklungsdraht in der Speednut sichert und außerdem eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Speednut und Wicklungsdraht gewährleistet. Andererseits ist der Durchmesserunterschied klein genug, dass die Aufweitung der Klemmlaschen im linear elastischen Bereich bleibt.
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Die Speednut ist aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, beispielsweise auf Kupferbasis. Hierbei kommen Materialien wie zum Beispiel Kupferlegierungen in Betracht, welche vorzugsweise einen Kupfer-Mindestanteil von 50 % aufweisen.
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Alternativ zu einem Kupfermaterial können auch sonstige metallische Werkstoffe oder gegebenenfalls nicht-metallische Werkstoffe, die jedoch elektrisch leitend sind, verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Speednut einschließlich der Klemmlaschen als ein einteiliges Bauteil ausgebildet. Die Klemmlaschen sind beispielsweise aus einem Grundmaterial der Speednut ausgestanzt, wobei auch die Durchtrittsöffnung in der Speednut im Wege des Stanzens hergestellt werden kann.
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Bei dem Wicklungsdraht handelt es sich beispielsweise um einen Kupferdraht, welcher vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Wicklungsdraht kann im Bereich des Drahtendes gegebenenfalls auch einen nicht-kreisförmigen Querschnitt besitzen, beispielsweise einen abgeflachten, eckigen Querschnitt, vorzugsweise einen viereckigen Querschnitt.
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Vorzugsweise besitzt die Speednut mindestens zwei, gegebenenfalls drei oder insgesamt vier Klemmlaschen, welche die Durchtrittsöffnung zu dem Wicklungsdraht begrenzen. Dies gewährleistet zum einen radiale Klemmkräfte, die von unterschiedlichen Seiten auf den Wicklungsdraht wirken, wodurch der Wicklungsdraht zentrisch in der Durchtrittsöffnung gehalten wird. Zum andern wird auf diese Weise eine mehrfache Kontaktierung zwischen Speednut und Wicklungsdraht erreicht, wodurch die elektrische Verbindung mit höherer Sicherheit hergestellt wird.
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Die Klemmlaschen graben sich vorzugsweise aufgrund ihrer Eigenelastizität in die Außenwand des Wicklungsdrahtes ein, wodurch die Kontaktfläche zwischen den Laschenspitzen der Klemmlaschen und dem Wicklungsdraht erhöht und der elektrische Kontakt verbessert wird. Bevorzugt weisen die Klemmlaschen eine in Richtung der Durchtrittsöffnung sich verjüngende Laschenspitze auf, die gegebenenfalls mit einer konkaven Stirnseite versehen sein kann. Gegebenenfalls ist die konkave Stirnseite der Laschenspitze mit einer Krümmung versehen, die dem Außendurchmesser des Wicklungsdrahts zumindest annähernd entspricht. Auch mit dieser Maßnahme kann ein größerer Kontakt zwischen den Klemmlaschen und dem Wicklungsdraht hergestellt werden.
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Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen permanenterregten Drehstrommotor mit Wicklungen an der Statorinnenseite und Permanentmagneten auf dem Rotor. Das Steuergerät, über das die Wicklungen elektrisch angesteuert werden, befindet sich beispielsweise an der Stirnseite des Gehäuses der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird vorzugsweise als elektrischer Servomotor in einem Lenksystem für ein Fahrzeug eingesetzt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Lenksystems in einem Fahrzeug mit einem elektrischen Servomotor zur Lenkunterstützung,
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2 einen Schnitt längs durch den elektrischen Servomotor einschließlich eines stirnseitig am Gehäuse des Servomotors angeordneten Steuergeräts,
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3 in perspektivischer Ansicht die Verbindung zwischen einem Wicklungsdraht des Servomotors und einer elektrisch leitenden Speednut im Steuergerät,
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4 die Speednut in Seitenansicht,
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5 die Speednut in Draufsicht.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das in 1 dargestellte Lenksystem 1 umfasst ein Lenkrad 2, eine Lenkspindel bzw. -säule 3, ein Lenkgehäuse 4 mit einem darin aufgenommenen Lenkgetriebe und ein Lenkgestänge mit einer Lenkzahnstange 5, über die eine Lenkbewegung auf die lenkbaren Räder 6 des Fahrzeugs übertragen wird. Der Fahrer gibt über das Lenkrad 2, mit dem die Lenkspindel 3 fest verbunden ist, einen Lenkwinkel δL vor, der im Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 auf die Lenkzahnstange 5 des Lenkgestänges übertragen wird, woraufhin sich an den lenkbaren Rädern 6 ein Radlenkwinkel δV einstellt. Zur Unterstützung des vom Fahrer aufgebrachten Handmoments dient ein elektrischer Servomotor 7, über den ein unterstützendes Servomoment in das Lenkgetriebe im Lenkgehäuse 4 eingespeist werden kann.
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In 2 ist ein Schnitt längs durch den elektrischen Servomotor 7 dargestellt, der als permanenterregter Gleichstrommotor ausgebildet ist. In einem Gehäuse 8 befindet sich der Stator mit mehreren über den Umfang verteilten Wicklungen 9, die jeweils einen Wicklungsdraht 10 aufweisen. Der Servomotor 7 ist als Innenläufermotor ausgeführt und weist eine innen liegende Rotorwelle 11 auf, deren Rotorachse zugleich die Längsachse 12 des Servomotors bildet. Auf der Rotorwelle 11 sind fest über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 13 angeordnet, deren Magnetfeld mit dem elektrischen Wechselfeld der Wicklungen 9 interagiert.
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Die Enden des Wicklungsdrahtes 10 sind jeweils in einer Speednut 14 aufgenommen, die sich in einem Steuergerät 15 an der Stirnseite des Servomotors 7 befindet. Jede Speednut 14, die nach Art einer Blechmutter aufgebaut ist, ist elektrisch leitend ausgebildet. Sie wird beispielsweise von Steueranschlüssen 16 kontaktiert, welche von einer Leiterplatte 17 im Steuergerät 15 ausgehen. Über die Speednut 14 werden die Wicklungsdrähte 10 der Wicklungen 9 bestromt. Außerdem hält die Speednut 14 das Drahtende des Wicklungsdrahtes 10 in seiner Position im Gehäuse 8 des Servomotors 7.
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Die Speednut 14 kann Bestandteil eines Stanzgitters sein oder elektrisch leitend mit der Leitplatte 17 verbunden werden, beispielsweise durch Einlöten oder Einpressen.
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In den 3 bis 5 ist die Speednut 14 jeweils in Einzeldarstellung in verschiedenen Ansichten gezeigt, wobei in 3 zusätzlich der Wicklungsdraht 10 durch die zentrale Durchtrittsöffnung 18 in der Speednut 14 dargestellt ist. Die Durchtrittsöffnung 18, durch die der Wicklungsdraht 10 mit kreisförmigem Querschnitt hindurchgeführt ist, wird von insgesamt vier Klemmlaschen 19 begrenzt, die einteilig mit der Speednut 14 ausgebildet sind. Die Speednut 14 besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einer Kupferlegierung, welche vorzugsweise einen Kupfergehalt größer 50 % aufweist. Die Klemmlaschen 19 sind einteilig mit der Speednut 14 ausgebildet und werden insbesondere durch Stanzen erzeugt.
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Im unbelasteten Ausgangszustand weisen die Laschenspitzen der Klemmlaschen 19 zur Durchtrittsöffnung 18 und begrenzen diese radial nach außen. Der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 18 im unbelasteten Ausgangszustand der Klemmlaschen 19 ist vorteilhafterweise kleiner als der Außendurchmesser des Wicklungsdrahts 10, wobei der Durchmesserunterschied vorzugsweise mindestens 20 % beträgt. Dies stellt sicher, dass mit dem Hindurchführen des Wicklungsdrahtes 10 durch die Durchtrittsöffnung 18 die Klemmlaschen 19 aufgeweitet werden und aufgrund der linear elastischen Rückstellkraft eine radial nach innen gerichtete Klemmkraft – bezogen auf die Längsachse des Wicklungsdrahtes 10 – auf den Wicklungsdraht wirkt. Es kann hierbei zweckmäßig sein, dass die radiale Rückstellkraft durch eine entsprechende Ausführung der Klemmlaschen und einen entsprechenden Durchmesserunterschied von Durchtrittsöffnung und Wicklungsdraht so groß gewählt wird, dass sich die Laschenspitzen der Klemmlaschen 19 in die Mantelfläche des Wicklungsdrahtes 10 eingraben.
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Wie insbesondere der Draufsicht gemäß 5 zu entnehmen, können die Laschenspitzen der dreieckförmig spitz zulaufenden Klemmlaschen 19 eine konkave Krümmung aufweisen, die vorteilhafterweise an den Außendurchmesser des Wicklungsdrahtes 10 angepasst ist. Dies gewährleistet einen flächigen Kontakt zwischen den Laschenspitzen der Klemmlaschen 19 und dem Wicklungsdraht 10. Insgesamt werden durch diese Maßnahmen sowohl eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Wicklungsdraht 10 und der Speednut 14 als auch eine elektrische Verbindung zwischen diesen Bauteilen erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lenksystem
- 2
- Lenkrad
- 3
- Lenksäule
- 4
- Lenkgehäuse
- 5
- Lenkzahnstange
- 6
- Vorderrad
- 7
- elektrischer Servomotor
- 8
- Gehäuse
- 9
- Wicklung
- 10
- Wicklungsdraht
- 11
- Rotorwelle
- 12
- Längsachse
- 13
- Permanentmagnet
- 14
- Speednut
- 15
- Steuergerät
- 16
- Steueranschluss
- 17
- Leiterplatte
- 18
- Durchtrittsöffnung
- 19
- Klemmlasche
