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Die Erfindung betrifft eine Verbindungseinheit für gleichphasige Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einem Statorkörper mit Statorzähnen, auf welchen Statorwicklungen angeordnet sind, elektrisch leitenden Wicklungsenden der Statorwicklungen, welche axial über den Statorkörper hinausragen und Verschaltungselementen, über die die Wicklungsenden gleichphasiger Statorwicklungen miteinander verbunden sind.
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Derartige Verbindungseinheiten werden insbesondere für elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren verwendet, die beispielsweise als Antriebseinheit von Verdichtern oder Pumpen dienen. Diese Antriebseinheiten können als Innenläufermotoren oder Außenläufermotoren hergestellt werden. Dabei weist der feststehende Stator auf seine Statorzähne gewickelte Wicklungen zu dessen Stromversorgung auf. Der mit der Antriebswelle drehfest verbundene Rotor ist mit Permanentmagneten oder beim Reluktanzmotor mit ausgeprägten, aus hochpermeablen weichmagnetischem Material hergestellten Polen bestückt, wodurch bei Bestromung des Stators ein elektromagnetisches Feld auf den Rotor wirkt und dieser durch die Lorentzkraft oder die Reluktanzkraft in eine Drehrichtung beschleunigt wird. Zur Erzeugung eines umlaufenden Drehfeldes weist der Stator eine definierte Anzahl gleichphasiger Wicklungen auf, die jeweils gemeinsam bestromt werden. Die Kommutierung erfolgt dann derart, dass in Umfangsrichtung fortschreitend von ersten gleichphasigen Wicklungen zu benachbart angeordneten gleichphasigen Wicklungen geschaltet wird, wodurch auf den Rotor ein umlaufendes Magnetfeld wirkt, durch das dieser in Drehung versetzt wird.
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Um sicherzustellen, dass gleichphasige Wicklungen des Stators auch tatsächlich jeweils im gleichen Zeitraum bestromt werden, also eine gleichzeitige Kommutierung beziehungsweise Stromversorgung gleichphasiger Wicklungen erfolgt, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt geworden. Dies erfolgt entweder über in Motorkappen oder Platinen integrierte Leiterbahnen oder über Stanzkämme, wobei üblicherweise die gleichphasigen Wicklungen starr durch Löten oder Schweißen mit den Verbindungselementen verbunden werden, wodurch gleichphasige Wicklungen parallel oder in Reihe geschaltet werden.
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Schnell laufende elektrische Verdichter, die über solche elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren angetrieben werden, weisen aufgrund der hohen geforderten Ströme üblicherweise Wicklungen mit großem Wicklungsdurchmesser auf, für die es schwierig ist, eine derartige starre Verbindung herzustellen, weswegen die Wicklungsenden zumeist zunächst mit einem biegbaren Element verbunden werden, welches bei auftretenden Schwingungen einen Längenausgleich zwischen dem Ende der Wicklung und beispielsweise der starr im Gehäuse angeordneten Platine herstellt.
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So wird in der
DE 10 2004 050 374 B4 ein Gleichstrommotor offenbart, bei dem die Statorwicklungen über Anschlussringe verschaltet werden, die übereinander in einer Motorkappe platziert werden. Die Anzahl der Anschlussringe entspricht der Anzahl der Phasen des Motors, wobei die Wicklungsenden am inneren Umfang der Anschlussringe anliegen und dort verschweißt werden. Die Anschlussringe sind axial beabstandet zueinander in der Motorkappe angeordnet und durch Nuten in der Kappe, in die Vorsprünge der Wicklungen greifen, radial fixiert. An den Anschlussringen sind vom Stator weg weisende Kontaktzungen ausgebildet, die zur Verbindung des Stators mit der Steuereinheit in entsprechende Klemmkontakte einer Platine gesteckt werden können. Die Montage bleibt jedoch aufgrund der notwendigen Schweißverbindungen aufwendig.
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Zusätzlich ist aus der
DE 10 2009 040 343 A1 eine Verbindungseinheit für eine elektrische Maschine bekannt, bei der das Wicklungsende einer Statorwicklung direkt mit einem Schaltring verschweißt ist, der über eine biegbare Litze mit einem planen leitenden Element verbunden ist, welche wiederum mit einer Kontaktbuchse der Radsok
®-Bauart verschweißt ist. Die Kontaktierung zur Steuereinheit erfolgt über einen zur Kontaktbuchse korrespondierenden Radsokstecker
®. Auch bei dieser Ausführung sind Schweiß- oder Lötverbindungen notwendig.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Verbindungseinheit für gleichphasige Wicklungen eines Stators eines Elektromotors zu schaffen, mit der eine langlebige gegen Schwingungen unempfindliche Paralleloder Reihenschaltung gleichphasiger Statorwicklungen herstellbar ist, ohne Schweiß- oder Lötverbindungen zu benötigen. Insbesondere soll eine Verbindung hergestellt werden, die auch bei thermischen Dehnungen haltbar ist, also Längendifferenzen ausgleichen kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungseinheit für gleichphasige Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Verschaltungselemente eine zur Anzahl gleichphasiger Statorwicklungen entsprechende Anzahl an federbelasteten Kontaktbuchsen aufweisen, welche fest mit einer Leiterbahn verbunden sind und welche direkt auf die Wicklungsenden aufgeschoben sind, wird die Montage ohne die Verwendung von Löt- oder Schweißverbindungen möglich. Insbesondere bei Gleichstrommotoren mit Wicklungen mit großen Querschnitten, die eine entsprechende Steifigkeit aufweisen, können die Kontaktbuchsen ohne zusätzliche Halter einfach aufgeschoben werden und bieten eine langlebige und gute Kontaktierung mit einer relativ langen Kontaktfläche. Dehnungen aufgrund thermischer Belastungen können durch ein Verschieben der Wicklungsenden innerhalb der Kontaktbuchsen ausgeglichen werden, ohne dass die Kontaktierungsfläche hierdurch verändert wird.
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Vorzugsweise sind die Leiterbahnen durch Schneiden hergestellt. Dies kann beispielsweise durch Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden aus einer Platte erfolgen. Eine derartige Ausführung ist kostengünstig herzustellen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Leiterbahnen Kupferstanzteile sind, welche einfach und kostengünstig herstellbar sind und gute Leitungseigenschaften besitzen. Des Weiteren ist deren Verbindung zu den Kontaktbuchsen einfach und dauerhaltbar herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kontaktbuchsen eine Kontaktfläche zum Wicklungsende von mindestens 50% auf. Dies wird beispielsweise durch Federstecker der Radsok®-Bauart erreicht. So wird ein ungewolltes Lösen der Verbindung zu den eingesteckten Wicklungsenden zuverlässig vermieden und eine gut leitende Verbindung geschaffen.
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Vorteilhafterweise sind die Kontaktbuchsen mit der Leiterbahn durch Pressen, Schweißen oder Löten verbunden. Beim Einpressen entfallen jegliche Löt- oder Schweißkontaktierungen. In jedem Fall können die Verschaltungselemente einfach vorab hergestellt werden, so dass anschließend die Verschaltung der gleichphasigen Wicklungen des Stators durch einfaches Aufstecken ermöglicht wird, was die Montage deutlich erleichtert.
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In einer weiterführenden Ausführung erstreckt sich von der Leiterbahn eine Kontaktzunge in einen Klemmkontakt einer Steuerplatine. Bei der Herstellung der Leiterbahn als Stanzteil kann diese Kontaktzunge einstückig mit der Leiterbahn hergestellt und anschließend umgebogen werden.
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Es wird somit eine Verbindungseinheit für gleichphasige Wicklungen eines Stators eines Elektromotors geschaffen, mit der mit sehr geringem Herstellungs- und Montageaufwand die gleichphasigen Wicklungen dauerhaltbar verbunden werden können. Die erfindungsgemäße Art der Verbindung ist auch bei auftretenden thermischen Belastungen und dadurch auftretenden Dehnungen dauerhaltbar, da diese in den Federkontakten ausgeglichen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungseinheit für gleichphasige Wicklungen eines Stators eines Elektromotors ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Elektromotors im Bereich der Verbindungseinheit.
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2 zeigt ein Verschaltungselement einer erfindungsgemäßen Verbindungseinheit.
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1 zeigt einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor. Dieser weist einen radial außen liegenden Stator 10 mit einem Statorkörper 14 auf, der gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Statorzähne 12 sowie zwischen den Statorzähnen 12 angeordnete Statornuten aufweist. Die Statornuten sind weitestgehend durch auf die Statorzähne 12 gewickelte Kupferdrähte gefüllt, welche Statorwicklungen 16 zur Bestromung des Stators 10 bilden. Wicklungsenden 18 ragen axial über den Statorkörper 14 hinaus.
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Im radial Innern des Statorkörpers 14 ist ein Rotor 20 angeordnet, der fest mit einer Antriebswelle 22 verbunden ist und mit dieser Antriebswelle 22 relativ zum Stator 10 drehbar ist. Der Stator 10 ist hierzu in einem feststehenden Motorgehäuse 24 befestigt, in dem Lagerstellen 26 ausgebildet sind, welche beidseits des Rotors 20 Lager 28 der Antriebswelle 22 aufnehmen, über die die Antriebswelle 22 und damit der Rotor 20 im Motorgehäuse 24 gelagert werden.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt einen sechspoligen, dreiphasigen Gleichstrommotor, so dass zur Kommutierung des Stators 10 jeweils zwei Statorwicklungen 16 gleichzeitig mit Strom versorgt werden müssen. Um diese gleichzeitige Stromversorgung sicherzustellen, werden die Wicklungsenden 18 der jeweils zwei gleichphasigen Statorwicklungen 16 durch insgesamt drei Verschaltungselemente 30 elektrisch miteinander verbunden.
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Hierzu weist jedes Verschaltungselement 30 eine durch Stanzen hergestellte Leiterbahn 32 aus Kupfer auf, an deren entgegengesetzten Enden jeweils eine Öffnung 34 ausgebildet ist, in der eine Kontaktbuchse 36 eingepresst ist, die beispielsweise als Federstecker nach der bekannten Radsok®-Bauart ausgeführt sein kann. Diese Kontaktbuchsen 36 weisen einen äußeren hohlzylindrischen Körper 38 auf, an dessen Innenwandung ein oder mehrere radial federnde, in den Figuren nicht sichtbare Elemente ausgebildet sind, über die ein flächiger Kontakt zwischen dem Körper 38 beziehungsweise den federnden Elementen und dem jeweiligen Wicklungsende 18 hergestellt wird.
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Die Herstellung und Montage erfolgt, indem zunächst die Leiterbahn 32 aus einer Platte ausgestanzt wird. Bei diesem Stanzen werden an den Enden gleichzeitig die Öffnungen 34 ausgestanzt, deren Innendurchmesser geringfügig kleiner sind, als der Außendurchmesser der Kontaktbuchsen 36, welche im folgenden Schritt in Öffnungen eingepresst werden. Das auf diese Weise fertig gestellte Verschaltungselement 30 wird zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungseinheit mit den beiden Kontaktbuchsen 36 auf die gleichphasigen und zuvor abisolierten Wicklungsenden 18 des Stators 10 aufgeschoben, wodurch eine Parallelschaltung der beiden gleichphasigen Statorwicklungen 16 hergestellt wird. Diese Montage erfolgt anschließend in gleicher Weise für die beiden anderen Phasen des Elektromotors.
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Bei auftretenden Wärmedehnungen aufgrund thermischer Belastung von außen oder Erwärmung der Statorwicklungen 16 durch den Stromfluss können die Wicklungsenden 18 sich in den Kontaktbuchsen 36 verschieben, ohne dass die Kontaktfläche und mit ihr die Stromversorgung des Stators verändert wird. Zusätzlich bestehen keine geschweißten oder gelöteten Kontakte, die sich durch relative Dehnungen der Bauteile zueinander oder Schwingungen lösen könnten.
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Die Kontaktierung zu einer Steuerplatine 40 des Elektromotors kann dadurch hergestellt werden, dass das Stanzteil, also die Leiterbahn 32 eine zusätzliche Kontaktzunge 42 aufweist, die nach dem Stanzen zunächst seitlich von der Leiterbahn absteht und im Folgenden um 90° umgebogen wird, so dass sie sich parallel zu den Wicklungsenden 18 in Richtung der Platine 40 erstreckt. An der Platine 40 sind entsprechende Klemmkontakte 44 ausgebildet, so dass durch Aufschieben der Platine 40 auf die Kontaktzungen 42 der Verbindungseinheit die Stromversorgung zum Stator 10 hergestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Verbindungseinheit ist einfach und kostengünstig herstellbar beziehungsweise montierbar. Sie sichert eine langlebige Kontaktierung, indem sie einen Längenausgleich sowohl bei Schwingungen als auch bei auftretenden Wärmedehnungen ermöglicht. Entsprechend wird die Parallelschaltung zur gleichzeitigen Kommutierung gleichphasiger Wicklungen eines Stators einfach und haltbar ermöglicht.
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Es sollte deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des Hauptanspruchs möglich sind. So kann die Kontaktierung zur Platine mit anderen bekannten Mitteln erfolgen oder auch die Leiterbahn anders hergestellt werden. Neben der im Ausführungsbeispiel durch die Verschaltungselemente geschaffene Parallelschaltung der Wicklungsenden kann selbstverständlich in gleicher Weise auch eine Reihenschaltung geschaffen werden. Des Weiteren ist es denkbar, verschiedene Kontaktbuchsen zu verwenden, solange diese eine möglichst große Kontaktfläche durch Anpressung mittels Federelementen sicherstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004050374 B4 [0005]
- DE 102009040343 A1 [0006]
