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Die Erfindung betrifft eine Kontaktierungseinheit für Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine mit einem Statorkörper mit Statorzähnen, auf welchen Wicklungen angeordnet sind, elektrisch leitenden Wicklungsenden der Wicklungen, welche axial über den Statorkörper hinausragen, einer Leistungsplatine, auf der elektronische Bauteile zur Steuerung des Elektromotors und Leiterbahnen angeordnet sind und Verschaltungselementen, über die die Wicklungsenden mit den Leiterbahnen verbunden sind.
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Derartige Kontaktierungseinheiten 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 bestückt, wodurch bei wechselnder Bestromung des Stators ein elektromagnetisches Feld auf den Rotor wirkt und dieser durch seine Permanentmagneten 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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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 gleichphasige Wicklungsenden zumeist zunächst über entsprechende Elemente miteinander verbunden werden. Von diesen Verbindungselementen ragt üblicherweise eine Kontaktfahne in einen Anschlusskontakt, der am Gehäuse befestigt ist und elektrisch mit einer Platine verbunden ist. Die Verbindung zwischen Kontaktfahne und Anschlusskontakt wird dabei entweder als Schneid-Klemmverbindung ausgeführt oder durch Löten oder Widerstandsschweißen hergestellt. Eine solche Kontaktierungseinheit eignet sich jedoch nicht für den Einsatz im thermisch belasteten Bereich, da Längendehnungen der Wicklungen nicht ausgeglichen werden können.
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Aus der
DE 11 2007 003 343 T5 ist ein Motoranschluss bekannt, bei dem eine Kontaktfahne gleichphasiger Wicklungen in einen weiblichen Anschluss ragt, der in einem Gehäuse befestigt ist. Dieser Anschluss ist mit einem Zwischenleiter verbunden, der eine federähnliche Sektion aufweist und dessen gegenüberliegendes Ende mit der Platine verlötet ist. Auftretende Vibrationen oder thermische Dehnungen sollen durch die federähnliche Sektion aufgenommen werden, so dass keine direkte Übertragung zur Lötbefestigung mit der Platine erfolgt. Der Aufbau dieses Motoranschlusses ist jedoch sehr aufwendig. Zusätzlich ist es fraglich, ob die elektrische Verbindung der Kontaktfahne des Stators zum weiblichen Anschluss bei auftretenden Wärmedehnungen erhalten bleibt.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kontaktierungseinheit für Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine zu schaffen, mit der eine langlebige, gegen Schwingungen und thermische Dehnungen unempfindliche Anbindung der Wicklungsenden des Stators an die Leistungsplatine hergestellt wird. Der Herstell- und Montageaufwand sollen gleichzeitig minimiert werden, so dass die Kontaktierung möglichst einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kontaktierungseinheit für Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Verschaltungselemente als federbelastete Kontaktbuchsen ausgebildet sind, welche in korrespondierenden Öffnungen der Leistungsplatine angeordnet sind und in welche die Wicklungsenden axial beweglich hineinragen, findet eine direkte Kontaktierung der Wicklungsenden mit der Leistungsplatine statt, welche jedoch aufgrund der axialen Beweglichkeit der Wicklungsenden sowohl gegen thermische Dehnungen als auch gegen Vibrationen unempfindlich ist. Zusätzlich wird die Montage deutlich vereinfacht, da die Platine direkt auf die Wicklungsenden aufgesetzt werden kann und somit bei der mechanischen Montage gleichzeitig ohne zusätzliches Löten oder Schweißen eine elektrische Kontaktierung erfolgt.
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Vorzugsweise liegen die Wicklungsenden gegen radial federnde Elemente im Innern der Kontaktbuchsen an. über diese federnde Elemente, welche elektrisch leitend sind, wird ein ständiger elektrischer Kontakt zwischen der Buchse und dem Wicklungsende sichergestellt, ohne die Beweglichkeit der Wicklungsenden im Kontakt zu mindern. Stattdessen wird über eine Länge von beispielsweise etwa 10 mm eine Linienberührung hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontaktbuchsen Federstecker der Radsok®-Bauart. Mit diesen wird eine langlebige, großflächige Kontaktfläche hergestellt und ein ungewolltes Lösen verhindert, so dass in allen Zuständen eine ausreichende Stromversorgung sichergestellt wird.
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In einer hierzu weiterführenden vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktbuchsen mit den Leiterbahnen der Leistungsplatine durch Pressen oder Löten verbunden. So sind die Kontaktbuchsen fest und unbeweglich mit der Leistungsplatine verbunden. Ein ungewolltes Lösen wird zuverlässig verhindert. Gleichzeitig wird auch die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen und der Leistungsplatine über eine lange Lebensdauer sichergestellt, da die Kontaktbuchse sich immer mit der Leistungsplatine und den Leiterbahnen bewegt.
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In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind auf der Leistungsplatine Leiterbahnen angeordnet, über die gleichphasige Wicklungen parallel geschaltet sind. So kann auf eine Verschaltung gleichphasiger Wicklungen beim Zusammenbau des Elektromotors verzichtet werden und dennoch eine gleichzeitige Kommutierung gleichphasiger Leiterbahnen sichergestellt werden. Dies vereinfacht den Aufbau des Elektromotors beziehungsweise der Kontaktierungseinheit des Elektromotors deutlich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Wicklungsenden durch Durchgangsöffnungen in einer Bodenplatte, auf der die Leistungsplatine befestigt ist, in die federbelasteten Kontaktbuchsen ragen. Entsprechend kann die an der Leistungsplatine entstehende Wärme über die Bodenplatte abgeführt werden. Des Weiteren wird die Kraft durch die Relativbewegung der Wicklungsenden in den Kontaktbuchsen durch die befestigte Platine aufgenommen.
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Es wird somit eine Kontaktierungseinheit für Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine geschaffen, mit der mit sehr geringem Herstellungs- und Montageaufwand die Stromversorgung und korrekte Ansteuerung des Elektromotors auch bei auftretenden Vibrationen oder erhöhter thermischer Belastung und daraus folgender Längendehnungen der Wicklungen sichergestellt werden können. Zusätzlich kann die Verschaltung der gleichphasigen Wicklungen integriert werden, wodurch der Montageaufwand zusätzlich reduziert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kontaktierungseinheit für Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Elektromotors im Bereich der erfindungsgemäßen Kontaktierungseinheit in geschnittener Darstellung.
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Die Figur zeigt einen Ausschnitt eines Elektromotors 8 in Form eines elektronisch kommutierten Gleichstrommotors. Dieser weist einen radial außen liegenden Stator 10 mit einem Statorkörper 11 auf, der gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Statorzähne 12 sowie zwischen den Statorzähnen 12 angeordnete Statornuten 14 aufweist. Die Statornuten 14 sind weitestgehend durch auf die Statorzähne 12 gewickelte Kupferdrähte gefüllt, welche Wicklungen 16 zur Bestromung des Stators 10 bilden. Wicklungsenden 18 der Wicklungen 16 ragen axial über den Statorkörper 11 hinaus.
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Im radial Inneren des Statorkörpers 11 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 zweiteiligen 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 sich sechs Wicklungsenden 18 vom Stator 10 durch Durchgangsöffnungen 30 in einer Bodenplatte 32 des Motorgehäuses 24 in einen Elektronikraum 34 erstrecken, in dem eine Leistungsplatine 36 durch Kleben oder Verschrauben auf der Bodenplatte 32 befestigt ist. Durch diese Befestigung der Platine wird ein flächiger Kontakt zur Bodenplatte 32 hergestellt, so dass über die Bodenplatte 32 Wärme von der Leistungsplatine 36 abgeführt werden kann.
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Auf der Leistungsplatine 36 sind Leiterbahnen 38 ausgebildet, über die verschiedene elektronische Bauteile 40, wie Leistungstransistoren, Kondensatoren und Widerstände miteinander verschaltet sind. Zusätzlich weist die Leistungsplatine 36 im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs Öffnungen 42 auf, in denen Verschaltungselemente 43 in Form von Kontaktbuchsen 44 angeordnet sind.
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Diese Kontaktbuchsen 44 sind erfindungsgemäß einerseits an der Leistungsplatine 36 befestigt und andererseits elektrisch beispielsweise durch Löten mit zumindest einer angrenzenden Leiterbahn 38 verbunden. Die Kontaktbuchsen 44 sind als federbelastete Kontaktbuchsen ausgeführt, wie sie beispielswiese von der Firma Amphenol als Radsock®-Federstecker vertrieben werden. Diese Kontaktbuchsen 44 weisen in ihrem Inneren ein oder mehrere radial federnde Elemente 46 auf, die entsprechend gespannt gegen das jeweilige durch die axial gegenüberliegende Durchgangsöffnung 30 und in die Kontaktbuchse 44 ragende Wicklungsende 18 anliegen, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Wicklungsende 18 und der angrenzenden Leiterbahn 38 hergestellt wird.
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Die Leiterbahnen 38 werden bevorzugt auch so verschaltet, also miteinander verbunden, dass gleichphasige Wicklungsenden 18 eine direkte elektrische Verbindung durch die Leiterbahnen 38 aufweisen und somit bei folgender Kommutierung immer gemeinsam bestromt werden.
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Im Betrieb des Elektromotors 8 entsteht in den Wicklungen 16 in kurzer Zeit ein hoher Stromfluss, der zu einer Erwärmung der Wicklungen 16 selbst führt. Zusätzlich entsteht eine erhöhte thermische Belastung durch die auf der Leistungsplatine 36 angeordneten elektronischen Bauteile 40, insbesondere durch die Leistungstransistoren und gegebenenfalls durch die Umgebung des Elektromotors 8. Diese auftretenden thermischen Belastungen, wie auch je nach Einsatzbereich auftretende Vibrationen, können zu einer axialen Relativbewegung der an der Bodenplatte 32 befestigten Leistungsplatine 36 zu den Wicklungen 16 des Stators 10 führen. Insbesondere entsteht eine axiale Längendehnung der Wicklungsenden 18, die dazu führt, dass sich die Wicklungsenden 18 axial in den Kontaktbuchsen 44 bewegen. Diese axiale Bewegung wird durch die Linienberührung der Wicklungsenden 18 an den federnden Elementen 46 zugelassen, ohne dass der elektrische Kontakt reduziert wird oder die Leistungsplatine 36 Biegekräften ausgesetzt würde. Es entsteht somit keine mechanische Belastung der Verbindungen zwischen den Leiterbahnen 38 und den Kontaktbuchsen 44 oder den Wicklungsenden 18 und den Kontaktbuchsen 44, was dazu führt, dass eine lange Lebensdauer dieser Verbindungen sichergestellt wird und eine zusätzliche mechanische Belastung der Leistungsplatine 36 vermieden wird.
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Des Weiteren wird durch diese erfindungsgemäße Kontaktierungseinheit die Montage des Elektromotors 8 deutlich vereinfacht. Nach dem Einbau des Stators 10 und des Rotors 20 in das Motorgehäuse 24 ragen die Wicklungsenden 18 durch die Öffnungen des Motorgehäuses 24, können dort, falls notwendig, abisoliert werden und die vorgefertigte Leistungsplatine 36 mit den Kontaktbuchsen 44 einfach auf die Wicklungsenden 18 aufgeschoben werden, wodurch die elektrische Kontaktierung hergestellt wird, ohne zusätzliche Montageschritte durchführen zu müssen.
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Die erfindungsgemäße Kontaktierungseinheit für die Wicklungen eines Stators eines Elektromotors mit einer Leistungsplatine ist entsprechend einfach und kostengünstig herstellbar beziehungsweise montierbar. Sie sichert eine langlebige Kontaktierung, indem sie einen Längenausgleich sowohl bei Schwingungen als auch bei auftretenden Wärmedehnungen ermöglicht.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht durch das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs des Hauptanspruchs möglich sind. So können unterschiedliche Kontaktbuchsen zur Kontaktierung zwischen der Leistungsplatine und den Wicklungsenden verwendet werden, bei denen aufgrund der Kontaktierung über die Federelemente eine Bewegung der Wicklungsenden in der Kontaktbuchse ermöglicht wird. Auch kann die Verbindung zwischen der Kontaktbuchse und der Platine auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist auch unabhängig von der Verwendung und dem Aufbau des Elektromotors.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112007003343 T5 [0004]
