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Die Erfindung betrifft einen Stator für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit einem Statorpaket mit Polschenkeln, auf denen Statorwicklungen angeordnet sind, einer Verschaltungseinheit, die mit Wicklungsenden der Statorwicklungen elektrisch verbunden ist und über die Kommutierungssignale den Statorwicklungen zuführbar sind, wobei gleichphasige Statorwicklungen miteinander verbunden und ungleichphasige Statorwicklungen elektrisch voneinander getrennt sind und einer Ansteuereinheit, die eine Steuerschaltung aufweist und die elektrisch mit der Verschaltungseinheit verbunden ist.
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Elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren mit derartigen Statoren dienen beispielsweise als Antriebseinheiten zur Verstellung von Regelklappen in Verbrennungsmotoren oder als Antriebe für Pumpen, Verdichtern oder Gebläsen und haben in den letzten Jahren die über Bürsten kommutierten Elektromotoren mehr und mehr verdrängt.
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Es ist eine Vielzahl von elektronisch kommutierten Motoren sowie Ausführungen von deren Statoren und Rotoren bekannt, wobei in der Automobilindustrie vor allem Innenläufermotoren verwendet werden. Die auf der Antriebswelle aufgebrachten Rotoren sind mit Permanentmagneten bestückt, die entsprechend des magnetischen Feldes des Stators angezogen werden, um die Drehung des Stators zu erzeugen. Die Statoren weisen radial nach innen weisende Polzähne auf, auf denen die Statorwicklungen aufgewickelt sind oder auf die die fertig gewickelten Spulen aufgesetzt werden. Zumeist bestehen sowohl die Rotoren als auch die Statoren aus Blechpaketen aus gestanzten, übereinander liegenden Blechlamellen. Neben den unterschiedlichen bekannten Ausführungsformen der Statoren und Rotoren sind auch verschiedene Kommutierungsschaltungen und Lagerückmeldungen zur Sicherstellung eines korrekten Anlaufs des Motors bekannt. Die Kommutierung erfolgt durch Bestromung der Spulen über die Wicklungsenden, welche entsprechend zur Steuereinheit und somit zur Stromversorgung geschaltet werden müssen. Dabei können gleichphasige Wicklungsenden über eine gemeinsame Versorgungsleitung versorgt werden, so dass eine elektrische Verbindungsschiene zwischen diesen Wicklungsenden notwendig ist. Andererseits ist es notwendig, die Spulen und Kontaktleitungen unterschiedlicher Phasen gegeneinander zu isolieren.
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Entsprechend sind Statoren bekannt, welche eine Verschaltungseinheit, über die die korrekte Verschaltung gleichphasiger Statorwicklungen erfolgt, und eine Ansteuereinheit aufweisen, welche die Leistungsbausteine trägt und über die die korrekten Schaltungssignale erzeugt werden.
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In der
DE 10 2008 064 161 B4 wird ein solcher Stator für den Gleichstrommotor einer Flüssigkeitspumpe offenbart. Auf den Statorpolen sind zunächst Isolierstoffkörper sowie eine Statorrückschlussplatte angeordnet. Auf diese wird ein Kontaktträger aufgesetzt, auf dessen Oberfläche eine Leiterplatte aufgesetzt wird, die zumindest einen Teil der Verschaltungen der Statorwicklungen enthält. Auf dieser befindet sich ein Wärmeleitkörper, auf welchem wiederum eine zweite Leiterplatte, welche Bauteile zur Ansteuerung aufweist, angeordnet ist. Der Kontaktträger ist aus einem isolierenden Material und weist verschiedene Kontaktaufnahmen für die Wicklungsenden des Stators auf. Die darauf angeordnete Leiterplatte weist ebenso wie der Kontaktträger Freisparungen zur Positionierung zu im Bereich des Stators ausgebildeten Verschraubungsdomen auf. Auch der Wärmeleitkörper und die weitere Leiterplatte weisen korrespondierende Vorsprünge auf, so dass letztlich die Fixierung der Ansteuer- und Verschaltungseinheit durch Schrauben erfolgt. Des Weiteren erfolgt die elektrische Kontaktierung der Wicklungen zur oberen Leiterplatte durch Lötverbindungen.
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Problematisch ist die Vielschichtigkeit der Verschaltungs- und Ansteuereinheit, was zu einem erhöhten Montageaufwand führt. Des Weiteren müssen die Wicklungsenden durch entsprechende Öffnungen im Kontaktträger gefädelt werden, was ebenfalls die Montage erschwert. Eine endgültige angulare Positionierung der Verschaltungs- und Ansteuereinheit erfolgt erst im letzten Montageschritt durch das Verschrauben, so dass während der Zwischenschritte ein Lösen nicht ausgeschlossen werden kann. Die Lötverbindungen bilden ebenfalls einen zusätzlichen Montageschritt und können sich insbesondere bei größerer mechanischer Stoßbelastung des Stators gegebenenfalls lösen.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Stator für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor bereit zu stellen, mit dem sowohl eine korrekte Verbindung gleichphasiger Wicklungsenden sichergestellt wird als auch eine lang haltbare und sichere elektrische Kontaktierung zur Ansteuereinheit möglichst einfach herstellbar ist. Der Montageaufwand soll im Vergleich zu bekannten Ausführungen minimiert werden und gleichzeitig Fehler bei der Montage zuverlässig vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Stator für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass die Verschaltungseinheit Positionierelemente aufweist, die die Lage der Verschaltungseinheit zum Statorpaket axial und angular festlegen, und elektrische Kontaktelemente aufweist, die in entsprechende Kontaktaufnahmen an der Ansteuereinheit ragen, wird einerseits durch einfaches Aufsetzen der Verschaltungseinheit deren Lage auf dem Statorpaket festgelegt, ohne zusätzliche Montageschritte durchführen zu müssen und andererseits kann anschließend ebenfalls durch einfaches Aufsetzen eine elektrische Verbindung zwischen der Ansteuereinheit und der Verschaltungseinheit hergestellt werden. Dies erleichtert die Montage des Stators deutlich, wobei gleichzeitig Montagefehler vermieden werden.
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Vorzugsweise weist zusätzlich die Verschaltungseinheit Positionierhilfen auf, über die die Position der Ansteuereinheit zur Verschaltungseinheit festgelegt ist, so dass durch einfaches Aufstecken der Ansteuereinheit zusätzlich zur elektrischen Kontaktierung auch eine mechanische Lagefestlegung zwischen der Ansteuereinheit und der Verschaltungseinheit erfolgt. So wird eine lang haltbare sichere Kontaktierung erreicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Verschaltungseinheit Drahtführungselemente auf, über die die Wicklungsenden der Statorwicklungen zur Verschaltungseinheit positioniert sind, wobei die Wicklungsenden an elektrischen Kontakten der Verschaltungseinheit befestigt sind. Entsprechend wird zunächst über die Drahtführungselemente die Lage der Wicklungsenden zur Verschaltungseinheit mechanisch festgelegt. Anschließend erfolgt die elektrische Kontaktierung, deren mechanische Belastung durch die Drahtführungselemente minimiert wird, so dass ein ungewolltes Lösen der elektrischen Kontaktierung weitestgehend ausgeschlossen wird.
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In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform sind die Drahtführungselemente am Außenumfang der Verschaltungseinheit ausgebildet und die Kontakte sind radial innerhalb der jeweiligen Drahtführungselemente auf der Verschaltungseinheit angeordnet. Nach dem Aufsetzen der Verschaltungseinheit auf das Statorpaket bleiben somit die Wicklungsenden gut zugänglich und können einfach von außen in die Drahtführungselemente eingefädelt werden und anschließend radial nach innen umgebogen und dort an den Kontakten befestigt werden.
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In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung sind die axialen Positionierelemente der Verschaltungseinheit durch mehrere Vorsprünge gebildet, die sich axial in Richtung des Statorpakets erstrecken und am Statorpaket aufliegen. Entsprechend wird durch die Vorsprünge auf einfache Weise ein fester Abstand zwischen dem Statorpaket und der Verschaltungseinheit festgelegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die angularen Positionierelemente der Verschaltungseinheit durch Klammern gebildet sind, die am Statorpaket ausgebildete Vorsprünge in Umfangsrichtung umgreifen. Es wird somit eine in Umfangsrichtung formschlüssig wirkende mechanische Verbindung zwischen der Verschaltungseinheit und dem Statorpaket geschaffen, wodurch ein Verdrehen der Verschaltungseinheit zum Statorpaket mit einfachen Mitteln verhindert wird.
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Zusätzlich sind vorzugsweise die Positionierhilfen durch zumindest zwei sich axial in Richtung der Ansteuereinheit erstreckende Vorsprünge gebildet, welche in korrespondierend geformte Ausnehmungen der Ansteuereinheit greifen. Durch diese Positionierhilfen wird auch die relative Lage der Verschaltungseinheit zur Ansteuereinheit durch einfaches Aufstecken festgelegt und so die Montage deutlich vereinfacht.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Positionierhilfen benachbart zu den elektrischen Kontaktelementen angeordnet sind. Eine Führung durch die Positionierhilfen in unmittelbarer Nachbarschaft zu den elektrischen Kontaktelementen unterstützt deren korrekte Anbindung durch die geringen Abstände und daraus folgender hoher Toleranzunempfindlichkeit.
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Wenn die axial erstreckenden Vorsprünge sich jeweils von einem Absatz erstrecken, gegen den die Ansteuereinheit axial anliegt, kann beim Aufstecken gleichzeitig auch eine axiale Vorpositionierung zwischen der Ansteuereinheit und der Verschaltungseinheit hergestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Verschaltungseinheit drei axiale Positionierelemente und drei angulare Positionierelemente auf. Diese Anzahl hat den Vorteil, dass die Herstellung aufgrund der unkomplizierten Form einfach ist und dennoch die Lage eindeutig festgelegt ist, ohne dass genaue Toleranzen eizuhalten sind.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Verschaltungseinheit zur Verschaltung der Statorwicklungen einen umspritzten Stanzkamm oder eine umspritzte Platine aufweist. Diese sind einfach herstellbar und sichern eine ausreichende Isolierung der einzelnen Verschaltungsdrähte zueinander. Es wird eine korrekte Verbindung gleichphasiger Wicklungsenden sichergestellt.
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Es wird somit ein Stator für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor geschaffen, der bei geringem Bauraumbedarf einfach zu montieren und toleranzunempfindlich elektrisch anzuschließen ist. Die elektrische Kontaktierung der Wicklungen zur Verschaltungseinheit als auch von der Verschaltungseinheit zur Ansteuereinheit weist eine hohe Haltbarkeit aufgrund geringer mechanischer Belastungen auf. Zusätzlich sind die elektrischen Verbindungen ebenso wie die mechanischen Verbindungen zwischen den Wicklungen beziehungsweise dem Statorpaket, der Ansteuereinheit und der Verschaltungseinheit einfach herzustellen.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stators ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Verschaltungseinheit eines erfindungsgemäßen Stators.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Verschaltungseinheit im auf ein Statorpaket montierten Zustand.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Stators im letzten Montageschritt.
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4 zeigt den erfindungsgemäßen Stator aus 3 in einer anderen perspektivischen Ansicht im vollständig zusammengebauten Zustand.
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In der 3 ist ein Stator 10 eines als Innenläufer ausgeführten elektronisch kommutierten dreiphasigen Gleichstrommotors dargestellt, der üblicherweise einen auf einer Antriebswelle befestigten Rotor aufweist, der in bekannter Weise mit dem Stator 10 zusammenwirkt, so dass durch Bestromung des Stators 10 eine Drehung des Rotors mit der Antriebswelle erzeugt wird.
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Der Stator 10 besteht, wie insbesondere in den 2 und 3 zu erkennen ist, aus einem Statorpaket 12, welches beispielsweise aus übereinander gestapelten Blechlamellen aufgebaut ist. Das Statorpaket 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel sechs radial nach innen weisende Polschenkel 14 auf, die durch Nuten 16 voneinander beabstandet sind. Jeder Statorzahn 14 ist mit einer Statorwicklung 18 bestückt, die auf einem Spulenträger 20 gewickelt ist, der auf den jeweiligen Statorzahn 14 aufgesteckt ist. Die Polschenkel 14 weisen an ihrem radial nach außen weisenden Enden eine Ausnehmung 22 auf, mit der sie in eine korrespondierend geformte Erweiterung 24 eines Rückschlussringes 26 greifen, der das Statorpaket 12 nach radial außen begrenzt und an dem die Polschenkel 14 mit den Statorwicklungen 18 durch axiales Einschieben aufgrund des Formschlusses befestigt sind.
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Bei einem solchen Stator 10 eines dreiphasigen Gleichstrommotors müssen gleichphasige Statorwicklungen 18 gemeinsam angesteuert werden. Entsprechend werden diese miteinander verschaltet. Dies bedeutet für den dargestellten Stator 10, dass jeweils die zwei gegenüberliegenden Statorwicklungen 18 miteinander verbunden werden, während die anderen Wicklungen 18 hierzu isoliert werden. Dies erfolgt über eine Verschaltungseinheit 28, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ringförmige umspritzte Platine 30 ausgeführt ist, die die entsprechenden elektrischen Verschaltungen der Statorwicklungen 18 beinhaltet. Des Weiteren wird eine Ansteuereinheit 32 mit einer Steuerschaltung 33 benötigt, um die benötigte elektrische Kommutierung des Stators 10 durchzuführen.
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Diese Verschaltungseinheit 28 ist in der 1 dargestellt. Die Verschaltungseinheit 28 besteht aus der ringförmigen umspritzten Platine 30, an deren zum Statorpaket 12 weisenden Unterseite Positionierelemente 34, 36 ausgebildet sind. Diese bestehen aus drei gleichmäßig über den Umfang verteilten, stiftförmigen Vorsprüngen 34 sowie drei Klammern 36, die sich von der Platine 30 in Richtung des Statorpaketes 12 erstrecken. Die drei Vorsprünge 34 befinden sich am Außenumfang der Verschaltungseinheit 28 während die Klammern 36 radial weiter innen angeordnet sind. Der Radius der radial inneren Seite der Klammern 36 entspricht etwa dem Außenradius eines Kreises, der durch die flächigen radialen Außenseiten 38 der auf die Polschenkel 14 montierten Spulenträger 20 aufgespannt wird. An diesen radialen Außenseiten der Spulenträger 20 sind sich radial erstreckende Stege 40 ausgebildet, die von den Klammern 36 umgriffen werden, so dass in Umfangsrichtung betrachtet beidseitig der Stege 40 jeweils ein Arm der Klammer 36 anliegt. Ein Verdrehen der Verschaltungseinheit 28 zum Statorpaket 12 ist somit nicht mehr möglich. Entsprechend dienen die Klammern 36 als angulare Positionierelemente. Die stiftförmigen Vorsprünge 34 liegen gegen den Rückschlussring 26 des Statorpaketes 12 an, so dass die stiftförmigen Vorsprünge 34 als axiale Positionierelemente dienen, durch die eine axiale Verschiebung weiter in Richtung des Statorpaketes 12 verhindert wird.
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Am Außenumfang der Verschaltungseinheit 28 sind zusätzlich zwölf Schlitze ausgebildet, die als erste Drahtführungelemente 42 dienen. In diese Drahtführungselemente 42 werden Wicklungsenden 44 der Statorwicklungen 18 eingefädelt, um diese über V-förmige Stege, die als zweites Drahtführungselement 43 dienen zu Kontakten 46, welche auf der vom Statorpaket 12 abgewandten Frontseite der Verschaltungseinheit 28 angeordnet sind und von denen aus die Verschaltungsleitungen der gleichphasigen Statorwicklungen 18 geführt sind, zu positionieren. Entsprechend werden die Wicklungsenden 44 nach dem Einfädeln in die Drahtführungselemente 42, 43 an den Kontakten 46 form- oder stoffschlüssig befestigt.
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Zusätzlich ragen aus dieser Frontseite der Verschaltungseinheit 28 die drei elektrischen Kontaktelemente 48, über die die drei Phasen des Stators 10 mit Strom versorgt werden. Hierzu sind im Bereich des Innenumfangs der Verschaltungseinheit 28 drei sich axial erstreckende ringsegmentförmige Absätze 50 als Positionierhilfen ausgebildet. Aus jedem dieser Absätze 50 ragt jeweils eines der Kontaktelemente 48 hervor. Aus zweien dieser Absätze 50 erstreckt sich ein axial weiterführender stiftförmiger Vorsprung 52, der in eine entsprechende Ausnehmung 54 der Ansteuereinheit 32 greift und entsprechend ebenfalls als Positionierhilfe dient, wie in den 3 und 4 zu erkennen ist.
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Beim Fügen der Ansteuereinheit 32 wird diese entsprechend mit ihren Ausnehmungen 54 über die stiftförmigen Vorsprünge 52 geführt, wodurch automatisch die in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Vorsprüngen 52 angeordneten Kontaktelemente 48 in Kontaktaufnahmen 56 der Ansteuereinheit 32 eingeführt werden, welche in entsprechender Weise wie die Vorsprünge 52 zu den Kontaktelementen 48 der Verschaltungseinheit 28 auf der Ansteuereinheit 32 zu den Ausnehmungen 54 ausgerichtet sind.
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In der 3 ist die Ansteuereinheit 32 noch nicht vollständig auf die Verschaltungseinheit montiert. In 4 ist zu erkennen, dass im montierten Zustand die Ansteuereinheit 32 axial auf den Absätzen 50 aufliegt und so axial positioniert ist, während die angulare Positionierung durch die Vorsprünge 52 und Ausnehmungen 54 erfolgt.
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Der erfindungsgemäße Stator wird entsprechend durch einfaches Aufschieben der Verschaltungseinheit auf das Statorpaket und der Ansteuereinheit auf die Verschaltungseinheit montiert, wobei sowohl eine mechanische Positionierung der Bauteile zueinander erfolgt als auch eine elektrische Kontaktierung gleichphasiger Wicklungen zueinander und zur Ansteuereinheit. Lediglich die Kontaktierung der Wicklungsenden durch geführtes Einstecken in die Kontakte der Verschaltungseinheit erfolgt als zusätzlicher Montageschritt. Trotz der einfachen Montage werden lang haltbare zuverlässige elektrische Verbindungen geschaffen, da Relativbewegungen der Bauteile zueinander vermieden werden.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. So können selbstverständlich auch mehr oder weniger Phasen aufweisende Motoren verwendet werden oder die Kontaktierungselemente oder Positionierelemente und -hilfen anders ausgeformt oder in unterschiedlicher Anzahl ausgebildet werden. Auch kann die Verschaltungseinheit als umspritzter Stanzkamm hergestellt werden. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008064161 B4 [0005]
