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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, einen Schneid-Klemm-Ring, einen Gegenhaltering für eine solche elektrische Maschine und ein Verfahren zum Bereitstellen mindestens eines Kontaktpunkts für eine elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Eine elektrische Maschine ist ein Energiewandler, der die Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung basierend auf der elektromagnetischen Induktion und magnetischen Kraftwirkungen nutzt. Es wird zwischen rotierenden elektrischen Maschinen, nämlich verschiedenen Typen von Elektromotoren und elektrischen Generatoren, und ruhenden elektrischen Maschinen, nämlich Transformatoren, unterschieden. Alle elektrischen Maschinen verfügen über einen magnetischen Kreis als für die Funktion wesentliches Merkmal.
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Nachfolgend wird insbesondere auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor eingegangen. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC: brushless DC) ist aufgebaut wie eine Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete. Dabei erzeugt eine Drehstromwicklung ein drehendes magnetisches Feld, das den permanenterregten Rotor mitzieht. BLDC-Motoren werden auch als EC-Motoren (EC: electronically commutated) bezeichnet.
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Der feststehende Stator des BLDC-Motors besteht aus mehreren Spulen, je nach Motor-Topologie können dies zwischen drei und achtzehn oder mehr Spulen sein. Die einzelnen Spulen werden über die elektronische Schaltung zeitlich versetzt angesteuert, um ein magnetisches Drehfeld entstehen zu lassen. EC-Motoren für Anwendungen im Kraftfahrzeug werden üblicherweise mit drei Phasen U, V, W ausgeführt. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Es wird hierzu auf 1 verwiesen.
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Als Verschaltungsart kommen je nach Anwendungsfall verschiedene Möglichkeiten zum Einsatz:
- • Stern-Schaltung seriell oder parallel,
- • Dreieck-Schaltung, seriell oder parallel.
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Die Verschaltung wird üblicherweise aus Kupfer-Leiterbahnen realisiert, die aus Kupferblechen ausgestanzt und auch als Stanzgitter bezeichnet werden. Eine andere mögliche Realisierung der elektrischen Verschaltung ist die Leiterplatte. Als Kontaktierung zwischen Spulendrähten und Leiterplatte oder Stanzgitter kommen dann verschiedene Techniken, wie bspw. Löten, Hot Stacking usw., in Betracht.
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Bisherige Kontaktierungsmöglichkeiten erfordern aufwendige Fügeprozesse, thermische Energie, z. B. beim Löten, hot stacking, und/oder mehrere einzelne Kontakte. Je nach Anwendungsfall ergeben sich verschiedene Nachteile. Diese sind unter anderem:
- • erforderliche Erwärmung/Abkühlung der Kontaktstellen,
- • lange Prozesszeiten,
- • hohe Kosten,
- • konstruktive Einschränkungen wegen erforderlicher Zugänglichkeit der Kontaktstellen oder des Sternpunkts,
- • großer erforderlicher Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Schneid-Klemm-Ring nach Anspruch 7, ein Gegenhaltering nach Anspruch 9 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Die vorgestellte elektrische Maschine ist als rotierende elektrische Maschine, bspw. als Elektromotor oder elektrischer Generator, oder als ruhende elektrische Maschine, bspw. als Transformator, ausgebildet.
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In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine bspw. als BLDC-Motor ausgebildet. Bei diesem Motor ist in Ausgestaltung eine kostengünstige Kontaktierungsmöglichkeit bei einer Sternschaltung bereitgestellt, die sich wesentlich von den bekannten Kontaktierungsmöglichkeit unterscheidet. Dabei ist eine Verlagerung der Kontaktierung der Sternpunktleitungen auf die der U-,V-, W-Zuführung des Stators gegenüberliegende Seite zur Einsparung von Bauraum und Durchführung der Kontaktierung aller Zuleitungen in einem Prozessschritt ohne Zufuhr thermischer Energie vorgesehen. Dies wird auch als kalte Kontaktierung bezeichnet.
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Diese Verlagerung kann je nach Anwendungsfall verschiedene Vorteile bewirken:
- • Ausnutzung von Toträumen innerhalb der Stator-Verschaltung
→ geringerer Bauraumbedarf
- • Umsetzung der Sternpunktkontaktierung in einem Arbeits-, Prozessschritt
→ geringerer Arbeits-/Prozessaufwand
- • Für die Durchführung der Kontaktierung muss keine thermische Energie zugeführt werden
→ geringere Prozesskosten und Prozesszeiten
- • Kontaktierung kann in einem Arbeits-/Prozessschritt mit dem Fügen des Stators in das Motorgehäuse erfolgen
→ geringere Prozesskosten und Prozesszeiten
- • Entflechtung der U,V,W und Sternpunktkontaktierung
→ Einfache räumliche Zugänglichkeit der Kontaktstellen oder des Sternpunkts
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Die konstruktive Ausführung der Integration des Schneid Klemm Ringkontakts kann, insbesondere hinsichtlich Durchmesser, Höhe, Breite, verschiedenartig sein und kann anwendungsspezifisch betrachtet werden.
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Die Erfindung betrifft in Ausgestaltung drei verschiedene Punkte:
- • Die Sternpunktverschaltung erfolgt in einem Arbeits-, Prozessschritt auf der gegenüberliegenden Seite der U-, V-, W-Zuführung,
- • die Sternpunktverschaltung erfolgt ohne Zufuhr thermischer Energie durch nur einen (Ring-)Kontakt,
- • die Sternpunktverschaltung kann in den Arbeits-, Prozessschritt Statormontage in Motorgehäuse integriert werden.
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Die Funktion der Verbindung der einzelnen Spulendrähte erfolgt in Ausgestaltung durch den Schneid-Klemm-Ringkontakt wie folgt:
- • Der Schneid-Klemm-Ringkontakt wird in eine Aufnahme oder Motorgehäuse/Pohltopf eingelegt,
- • der Stator wird mit zu kontaktierenden Spulendrähten auf den Schneid-Klemm-Ring aufgesetzt und auf Endmaß oder Weg- bzw. Kraft überwacht eingepresst. Hierbei isoliert die Schneidkante des Rings die Spulendrähte ab und schneidet die Oberflächen der Spulendrähte an; der Ringkörper stellt dann eine elektrische Verbindung zum freigelegten Kupfer, bzw. Aluminium, Silber, Gold Kern der Spulendrähte her,
- • bei hohen Langzeitstabilitätsanforderungen kann zusätzlich ein Gegenhaltering eingesetzt werden.
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Die vorgestellte elektrische Maschine kann bspw. als BLDC-Motor ausgebildet sein, der im Antriebsstrang, im Starter-/Generatoreinsatz, für Wischer-, Reversierantrieben, Motoraumstell-Antrieben, Fensterheber-Antrieben, Sitzverstell-Antrieben, Lüftungs-Antrieben und Kühlungs-Antrieben Verwendung findet. Diese kann aber auch als BLDC-Motor ausgebildet sein, der außerhalb des Kraftfahrzeug-Bereichs bspw. als Tischverstellantrieb eingesetzt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einem Schaltbild einen EC-Motor in dreisträngiger Sternschaltung mit einer Ansteuerschaltung.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Schneid-Klemm-Rings.
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3 zeigt die Montage eines Schneid-Klemm-Rings.
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4 zeigt ein Statorpaket und einen Gegenhaltering.
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5 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Ausführung des Schneid-Klemm-Rings.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt einen EC-Motor, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist, mit einem Strang U 12, einem Strang V 14 und einem Strang W 16, die die Phasen des EC-Motors 10 darstellen. Der EC-Motor 10 wird über eine Schaltungsanordnung 20 angesteuert, die eine Batterie 22, die bspw. 12 V bereitstellt, und eine erste Halbbrücke 24, eine zweite Halbbrücke 26 und eine dritte Halbbrücke 28 aufweist.
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Jede der drei Halbbrücken 24, 26, 28 umfasst zwei Schalter, wobei die erste Halbbrücke 24 den Strang U 12, die zweite Halbbrücke 26 den Strang V 14 und die dritte Halbbrücke 28 den Strang W 16 ansteuert.
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Die gezeigte Ansteuerschaltung 20 verwirklicht zur Ansteuerung des EC-Motors 10 eine Sternschaltung mit einem Sternpunkt 30, der ein gemeinsamer Kontaktpunkt der drei Stränge U 12, V, 14, W 16 und damit der drei Phasen des EC-Motors 10 darstellt. Über die Ansteuerschaltung 20 werden die Phasen des EC-Motors 10 zeitlich versetzt angesteuert, so dass ein magnetisches Drehfeld entsteht.
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Die vorgestellte Erfindung stellt eine kostengünstige Möglichkeit für eine Kontaktierung am Sternpunkt 30 bereit. Dabei wird ein Schneid-Klemm-Ring verwendet wie dieser bspw. in 2 dargestellt ist.
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2 zeigt eine Ausführung des Schneid-Klemm-Rings, der insgesamt mit der Bezugsziffer 50 bezeichnet ist. Dieser weist an der Innenseite eine Kontaktfläche 52 und im Bereich eines Randes an der Innenseite eine Schneidkante 54 auf. Diese Schneidkante 54 kann umlaufend ausgebildet sein und bewirkt bei Aufschieben des Schneid-Klemm-Rings 50 ein Entfernen der Isolierung der Spulendrähte in diesem Bereich und einen elektrischen Kontakt der Spulendrähte in diesem Bereich über den Schneid-Klemm-Ring 50, so dass ein gemeinsamer Kontaktpunkt gebildet wird.
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3 verdeutlicht die Montage eines Schneid-Klemm-Rings. Die Darstellungen zeigen ein Statorpaket 70 zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Montage eines Schneid-Klemm-Rings. Die Darstellungen zeigen weiterhin die Spulen 72 des Statorpakets.
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Oben ist das Statorpaket 70 dargestellt mit einem Schneid-Klemm-Ring 74a vor der Montage. In der Darstellung darunter ist der Schneid-Klemm-Ring 74b gezeigt, wie dieser auf das Statorpaket 70 aufgeschoben wird. Eine Detailansicht 76 darunter zeigt, das Prinzip des herbeigeführten Schnei-Klemm-Ring-Kontakts an einem Spulendraht 80 am Sternpunkt mit dem Schneid-Klemm-Ring 74c. Die Darstellung unten zeigt den montierten Schneid-Klemm-Ring 74d. Über diesen wird der Kontakt der Spulendrähte 80 im Sternpunkt verwirklicht.
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4 zeigt ein weiteres Statorpaket 90 vor der Montage mit einem Schneid-Klemm-Ring 92, einem Gegenhaltering 94 und Positionier-/Isoliermasken/-stufen 96 für einen Schneid-Klemm-Ringkontakt.
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Der Gegenhaltering 94 ermöglicht eine Versteifung der Kontaktierungen zwischen Isoliermasken bzw. -stufen 96, Spulendrähten und dem Schneid-Klemm-Ringkontakt.
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Der Radius des Gegenhalterings 94 ist maximal um die Drahtdicke, ohne Isolierung, plus Isoliermaskendicke im Drahtpositionierbereich kleiner als der des Schneid-Klemm-Rings 92. Die Montage des Gegenhalterings 94 kann vor oder nach der Montage des Schneid-Klemm-Rings 92 erfolgen. Bei nachgelagerter Montage können die höheren Fügekräfte den Einsatz eines Fügehilfswerkzeugs erforderlich machen.
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Der Gegenhaltering 94 kann als geschlossener Ring aber auch als Sprengring ausgelegt werden. Sein Radius bzw. Federkraft ergibt sich aus Beanspruchung, z. B. der Schwingbeständigkeit, die an die Kontaktierungen gestellt wird.
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5 zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung einen Schneid-Klemm-Ring, der insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet ist. In einem Schnitt entlang der Mittelachse des Schneid-Klemm-Rings 100. Die Darstellung zeigt gegenüberliegende Seitenwände 102, 104 des Schneid-Klemm-Rings 100. Weiterhin ist im Bereich des unteren Rands des Schneid-Klemm-Rings 100 eine Schneidkante 106 in der Art eine Fase gebildet. Diese Schneidkante 106, die unterschiedlich ausgebildet sein kann, ist in diesem Fall umlaufend vorgesehen und bewirkt beim Aufschieben des Schneid-Klemm-Rings 100, wie dies bspw. in 3 verdeutlicht ist, ein Entfernen der Isolierung von Spulendrähten. Diese liegen dann ohne Isolierung an dem Schneid-Klemm-Ring 100 an. Da dieser aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist, sind die Spulendrähte, die in Kontakt mit dem Schneid-Klemm-Ring stehen, dann elektrisch miteinander verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Schneidkante auch durch Umbiegen des unteren Rands nach innen ausgebildet sein.
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Es kann somit durch einen Arbeitsschritt, dem Aufschieben des Schneid-Klemm-Rings 100, ein Kontaktpunkt bereitgestellt werden. Dies verringert den mit der Bereitstellung des Kontaktpunkts verbundenen Arbeitsaufwand erheblich und reduziert somit die Herstellungskosten.
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Das vorgestellte Verfahren und der beschriebene Schneid-Klemm-Ring können grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo ein gemeinsamer Kontaktpunkt hergestellt werden soll.
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Die Schneidkante 106 hat die Aufgabe, die Spulendrähte an den Kontaktstellen von der Isolierung zu befreien. Ihre Härte und Schärfe wird durch die Härte des verwendeten Isoliermaterials der Spulendrähte bestimmt. Bei hohen Anforderungen kann sie partiell im Bereich der Kontaktstellen oder Umlaufend gehärtet werden.
