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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier elektrischer Module, Verbindungselemente zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines elektrischen Moduls mit einer weiteren Komponente, sowie einen Bausatz für eine Motorbaugruppe.
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Bei der Herstellung von elektrischen Motorbaugruppen, beispielsweise für Aktuatoren, Pumpen oder Stellmotoren für ein Getriebe eines Kraftwagens, werden in der Regel elektronische Komponenten, wie eine Leistungselektronik und/oder eine Steuerelektronik, zusammen mit dem elektrischen Motor in einem Gehäuse verkapselt. Üblicherweise werden die elektronischen Komponenten in Form von Leiterplatten mit den entsprechenden elektronischen Bauteilen bereitgestellt, über einen Anschlussrahmen („Leadframe“) elektrisch mit einem Stator des Motors verbunden und dann gemeinsam mit dem Motor beispielsweise in einem Edelstahltiefziehgehäuse unlösbar verpresst.
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Wird nach der Endmontage oder auch im Betrieb ein Defekt an einer der Komponenten oder am Motor festgestellt, muss in der Regel die gesamte Motorbaugruppe als Ausschuss verworfen werden. Dies führt zu einem beträchtlichen Kostenaufwand. Bei Motoren für Getriebe muss bei einem Austausch zudem die Getriebeflüssigkeit abgelassen und ersetzt werden, was Umweltbelastungen verursachen kann.
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Die gemeinsame Verkapselung von Motor und Elektronikkomponenten erschwert ferner die Anpassung solcher Motorbaugruppen an unterschiedliche Einsatzbedingungen. Gerade im Kraftwagenbereich ist heutzutage jedoch die Individualisierung einzelner Komponenten besonders erwünscht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier Komponenten bereitzustellen, die eine einfache lösbare elektrische und mechanische Verbindung zwischen den Komponenten erlaubt. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbindungselemente zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines elektrischen Moduls mit einer weiteren Komponente, sowie einen Bausatz für eine Motorbaugruppe auf Grundlage solcher Verbindungselemente anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, Verbindungselemente mit den Merkmalen der Patentansprüche 9 und 10, sowie durch einen Bausatz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier elektrischer Module, insbesondere eines elektrischen Motors mit einem zugeordneten Elektronikmodul, umfasst somit:
- - ein erstes Verbindungselement mit einem hohlzylindrischen Grundkörper, in dem eine innere Mantelfläche ausgebildet ist, und zumindest einem von der inneren Mantelfläche nach innen abragenden ersten elektrischen Kontaktelement;
- - ein zweites Verbindungselement mit einem zylindrischen Grundkörper, an dem eine äußere Mantelfläche ausgebildet ist, und zumindest einem an (oder entlang) der äußeren Mantelfläche des zweiten Verbindungselements verlaufenden Steg, der ein zweites elektrisches Kontaktelement bereitstellt und durch Einstecken des zweiten Verbindungselements in das erste Verbindungselement und Verdrehen der Verbindungselemente gegeneinander mechanisch mit dem zumindest einen ersten elektrischen Kontaktelement verbindbar ist, insbesondere in Eingriff bringbar ist, wodurch oder zumindest wobei der zumindest eine Steg mit dem zumindest einen ersten elektrischen Kontaktelement des ersten Verbindungselements elektrisch gekoppelt wird.
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Der zumindest eine Steg des ersten Verbindungselements koppelt also durch Eingriff mit dem zumindest einen elektrischen Kontaktelement des zweiten Verbindungselements die beiden Verbindungselemente mechanisch nach Art eines Bajonettverschlusses. Dabei gleitet der zumindest eine Steg bevorzugt unter das zuminest eine erste elektrische Kontaktelement, so dass die beiden Verbindungselemente in axialer Richtung fixiert werden. Zugleich dient der zumindest eine Steg aber auch zur elektrischen Verbindung der beiden Verbindungselemente. Damit ist eine besonders einfache Möglichkeit geschaffen, die beiden Verbindungselemente und damit die auch die zugeordneten Komponenten lösbar elektrisch und mechanisch miteinander zu verbinden.
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Wird festgestellt, dass in einer Baugruppe, die durch eine solche Vorrichtung verbunden ist, eine der Komponenten der Baugruppe defekt ist, so kann die Verbindung wieder gelöst werden und die defekte Baugruppe ausgetauscht werden. Dies reduziert den entstehenden Ausschuss und die anfallenden Reparaturkosten. Damit entsteht auch weniger Abfall, so dass die Umwelt geschont wird.
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Gleichzeitig ermöglicht die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verwirklichte lösbare Verbindung auch die einfache Schaffung von modularen Baugruppen. Beispielsweise können mehrere Elektronikmodule für ein Motormodul bereitgestellt werden. Lediglich durch Austausch des Elektronikmoduls können so unterschiedliche Leistungsparameter des Motormoduls verwirklicht werden. Dies ermöglicht eine einfache Anpassung bestehender Komponenten an geänderte Betriebsanforderungen oder an Kundenwünsche. Auch im Hinblick auf die Vielzahl der heute verwendeten elektrischen Stellmotoren in einem Kraftwagen ist es vorteilhaft, solche modularen Systeme bereitzustellen, die die Entwicklungs- und Produktionskosten verringern können
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement und/oder der zumindest eine Steg als metallischer Vollkörper ausgebildet. Dies verleiht dem Kontaktelement bzw. dem Steg eine hohe mechanische Festigkeit, so dass die erreichte mechanische Verbindung besonders stabil ist. Gleichzeitig sind solche metallischen Vollkörper auch elektrisch besonders belastbar, so dass eine derart ausgebildete Vorrichtung auch zur elektrischen Kontaktierung von elektrischen Modulen mit hohem Strombedarf verwendet werden kann. Die metallischen Vollkörper bestehen dabei bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Prinzipiell kann die derart ausgebildete Vorrichtung, abhängig von der geforderten Stromtragfähigkeit, aus allen gängigen Metallen oder Metalllegierungen gefertigt sein.
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Es ist ferner bevorzugt, wenn der Grundkörper des ersten und/oder des zweiten Verbindungselements als Spritzgussteil ausgebildet ist, das an das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement bzw. an den zumindest einen Steg angespritzt oder eingespritzt ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung und gleichzeitig eine stabile Aufnahme des zumindest einen Kontaktelements bzw. des Stegs im Grundkörper. Durch das Anspritzen werden das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement bzw. der zumindest eine Steg zudem isoliert und die Durchführung des Kontaktelements bzw. des Stegs gegen Umwelteinflüsse abgedichtet. Als Kunststoff für den Grundkörper wird vorzugsweise ein Duroplast verwendet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste und/oder zweite Verbindungselement einstückig mit einem Gehäuse eines jeweiligen elektrischen Moduls ausgebildet. Damit können die beiden elektrischen Module selbst direkt miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, ohne dass weitere Kabelverbinder oder dergleichen notwendig sind.
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Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn sich das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement und/oder der zumindest eine Steg bis in einen Innenraum des Gehäuses erstreckt, und dort mit einer elektrischen Baugruppe leitend verbunden ist, insbesondere durch eine Lötverbindung und/oder ein angelötetes, angeschweißtes oder angecrimptes Leiterelement. Lediglich durch das Zusammenstecken und Verdrehen der Gehäuse der beiden Module werden also sowohl die Gehäuse mechanisch gekoppelt, als auch die elektrischen Baugruppen, die in den Gehäusen aufgenommen sind, elektrisch verbunden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das zumindest eine elektrische Kontaktelement des zweiten Verbindungselements einen Endanschlag auf. Dies verhindert ein Überdrehen beim Verbinden der beiden Verbindungselemente und schützt damit die Verbindungselemente vor mechanischer Beschädigung. Zugleich wird hierdurch sichergestellt, dass die jeweiligen Kontaktelemente richtig zueinander positioniert werden.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn das zweite Verbindungselement einen die äußere Mantelfläche umlaufenden Überstand aufweist, an welchem ein Dichtungselement angeordnet ist, welches beim Einstecken und Verdrehen des zweiten Verbindungselements in das erste Verbindungselement gegen eine Stirnfläche des ersten Verbindungselements verpresst wird. Hierdurch werden die elektrisch leitfähigen Teile der Verbindungselemente nach Herstellen der Verbindung vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Spritzwasser, geschützt. Das Dichtungselement kann etwa durch Spritzgießen auf den Überstand aufgebracht werden. Alternativ kann das Dichtungselement auch durch einen eingelegten Dichtungsring bereitgestellt sein. Bevorzugte Materialien für das Dichtungselement sind je nach Umgebungsanforderungen, Fluorkautschuk (FKM), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) oder Ethylen-Acrylat-Kautschuck (AEM).
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen das erste und zweite Verbindungselement jeweilige Arretierungsnuten auf, welche durch eine Klammer, eine Schraube oder andere Fixierelemente miteinander zur Verdrehsicherung der Verbindungselemente gegeneinander verbindbar sind. Hierdurch kann die Verbindung der beiden Verbindungselemente dauerhaft gesichert werden, so dass es nicht zu einem ungewollten Lösen kommt, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, die im Betrieb der jeweiligen Module auftreten können.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines elektrischen Moduls mit einer weiteren Komponente, mit einem hohlzylindrischen Grundkörper, in dem eine innere Mantelfläche ausgebildet ist, und zumindest einem von der inneren Mantelfläche nach innen hin abragenden ersten elektrischen Kontaktelement, wobei der Grundkörper als Spritzgussteil einstückig mit einem Gehäuse des elektrischen Moduls ausgebildet ist, welches in das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement als Einlegeteil eingespritzt ist, wobei das zumindest eine erste elektrische Kontaktelement als metallischer Vollkörper ausgebildet ist, der sich bis in einen Innenraum des Gehäuses erstreckt, und dort mit einer elektrischen Baugruppe leitend verbunden ist, insbesondere durch eine Lötverbindung und/oder ein angelötetes, angeschweißtes oder angecrimptes Leiterelement.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verbindungselement zum elektrischen und mechanischen Verbinden eines elektrischen Moduls mit einer weiteren Komponente, mit einem zylindrischen Grundkörper und zumindest einem an einer äußeren Mantelfläche des Grundkörpers verlaufenden Steg, der ein zweites elektrisches Kontaktelement bereitstellt oder als solches ausgebildet ist und der einen Endanschlag aufweist, wobei der Grundkörper als Spritzgussteil einstückig mit einem Gehäuse des elektrischen Moduls ausgebildet ist, welches in den zumindest einen Steg als Einlegeteil eingespritzt ist, wobei der zumindest eine Steg als metallischer Vollkörper ausgebildet ist, der sich bis in einen Innenraum des Gehäuses erstreckt, und dort mit einer elektrischen Baugruppe leitend verbunden ist, insbesondere durch eine Lötverbindung und/oder ein angelötetes, angeschweißtes oder angecrimptes Leiterelement.
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Die genannten Verbindungselemente sind zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeignet. Alle anhand der Vorrichtung erläuterten Vorteile kommen auch bezüglich der Verbindungselemente zum Tragen.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Bausatz für eine Motorbaugruppe, insbesondere für einen elektrischen Motor eines Getriebes oder einer Pumpe eines Kraftwagens, mit einem Motormodul und einem Elektronikmodul, welche jeweils ein Verbindungselement der vorstehend zur Vorrichtung beschriebenen Art aufweisen und über diese lösbar elektrisch und mechanisch verbindbar sind.
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Hierbei müssen das Motormodul und das Elektronikmodul zueinander komplementäre Verbindungselemente aufweisen. Es weist also entweder das Motormodul ein Verbindungselement nach Art des zur Vorrichtung beschriebenen ersten Verbindungselements auf, während das Elektronikmodul ein Verbindungselement nach Art des zur Vorrichtung beschriebenen zweiten Verbindungselements besitzt, oder umgekehrt. Die Verbindungselemente können dabei gemäß jeder der anhand der Vorrichtung erläuterten Ausführungsformen ausgebildet sein.
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Gerade bei einer solchen Motorbaugruppe sind die genannten Vorteile besonders ausgeprägt. Insbesondere ist es auch möglich, mehrere Motormodule und Elektronikmodule bereitzustellen, die je nach Anwendungsgebiet oder Kundenwunsch kombiniert werden können, um so beispielsweise die Betriebsparameter des Motors an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Hierdurch können Entwicklungs- und Herstellungskosten beträchtlich gesenkt werden.
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Wenn das Elektronikmodul eine Leistungselektronikgruppe und eine Steuerelektronikgruppe umfasst, die mittels der jeweiligen Verbindungselemente des Elektronikmoduls und des Motormoduls elektrisch mit dem Motormodul verbindbar sind, ermöglicht dies einen flexibleren Aufbau des Elektronikmoduls selbst. Beispielsweise können mehrere Leistungselektronikgruppen und Steuerelektronikgruppen bereitgestellt werden, die frei miteinander kombinierbar sind, um so individualisierte Elektronikmodule zu schaffen.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier elektrischer Module gemäß der Erfindung;
- 2 eine axiale Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß 1;
- 3A eine radiale Schnittdarstellung des zweiten Verbindungselements für eine Vorrichtung gemäß 1;
- 3B eine radiale Schnittdarstellung des ersten Verbindungselements für eine Vorrichtung gemäß 1;
- 4 eine axiale Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines ersten Verbindungselements für eine Vorrichtung gemäß 1;
- 5 eine axiale Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform des ersten Verbindungselements für eine Vorrichtung gemäß 1.
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Eine insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zum elektrischen und mechanischen Verbinden zweier elektrischer Module umfasst ein erstes Verbindungselement 10 und ein zweites Verbindungselement 20, wie in 1 dargestellt.
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Das erste Verbindungselement 10 weist einen hohlzylindrischen Grundkörper 12 auf, der eine innere Mantelfläche 14 ausbildet. An der inneren Mantelfläche 14 sind mehrere nach innen hin vorspringende erste elektrische Kontaktelemente 18 vorgesehen.
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Das zweite Verbindungselement 20 umfasst einen zylindrischen Grundkörper 22, an dessen äußerer Mantelfläche 24 mehrere nach außen hin vorspringende zweite elektrische Kontaktelemente 26 vorgesehen sind. Diese sind komplementär zu den nach außen hin vorspringenden elektrischen Kontaktelementen 18 des ersten Verbindungselements 10 ausgebildet. Durch Einsetzen des zweiten Verbindungselements 20 in das erste Verbindungselement 10 und Verdrehen in Richtung des Pfeils 28 können die zweiten elektrischen Kontaktelemente 26 in Eingriff mit den Kontaktelementen 18 gebracht werden, wobei die Kontaktelemente 26 bevorzugt unter die Kontaktelemente 18 gleiten, so dass die Verbindungselement 10, 20 mechanisch fest aber lösbar miteinander verbunden werden. Dies ist in 2 im Längsschnitt veranschaulicht. Ein jeweiliger Endanschlag 30 an den zweiten elektrischen Kontaktelementen 26 verhindert dabei ein Überdrehen. Die Anordnung der jeweiligen Kontaktelemente 18, 26 ist in den 3A und 3B im Querschnitt veranschaulicht. 3A zeigt das zweite Verbindungselement von der Unterseite her. Es ist zu erkennen, wie die Kontaktelemente 26 von der äußeren Mantelfläche 24 abragen. In 3B ist das erste Verbindungselement 10 im Querschnitt gezeigt. Auch hier ist die Anordnung der Kontaktelemente 18 an der inneren Mantelfläche zu erkennen.
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Werden die beiden Verbindungselemente 10, 20 auf diese Weise miteinander verbunden, so gelangen die ersten elektrischen Kontaktelemente 18 in Überdeckung mit jeweils zugeordneten zweiten elektrischen Kontaktelementen 26, so dass sich die jeweiligen Flanken bzw. Seitenflächen 32, 34 der elektrischen Kontaktelemente 18, 26 berühren und einen elektrischen Kontakt zwischen den beiden Verbindungsteilen 10, 20 herstellen und die Verbindungsteile gleichzeitig in axialer Richtung fixieren. In einem einzigen Arbeitsschritt wird also sowohl eine elektrische als auch eine mechanische Verbindung zwischen den Verbindungsteilen 10, 20 geschaffen. Die ersten und zweiten elektrischen Kontaktelemente 18, 26 bestehen vorzugsweise aus Kupfer.
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Die Verbindungsteile 10, 20 können weiterhin Arretierungsnuten 35 aufweisen, in die nach dem Zusammenfügen der Verbindungsteile 10, 20 eine Klammer, eine Schraube oder ein ähnliches Fixierungsteil eingesetzt werden kann, das die Verbindung vor ungewolltem Öffnen schützt.
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Das zweite Verbindungsteil 20 weist im Ausführungsbeispiel ferner einen Überstand 36 auf, an dem ein Dichtungselement 38 angeordnet werden kann. Beim Verbinden der beiden Verbindungsteile 10, 20 wird das Dichtungselement 38 an eine Stirnfläche 40 des ersten Verbindungsteils 10 angepresst und dichtet somit den Innenraum der Verbindungsteile 10, 20 gegen die Umwelt ab. Das Dichtungselement 38 kann angespritzt werden oder als eingelegter Dichtungsring ausgebildet sein und besteht bevorzugt aus FKM, AEM, EPDM, etc.
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Die Grundkörper 12, 22 können besonders einfach durch Anspritzen an die elektrischen Kontaktelemente 18, 26 erzeugt werden. Insbesondere dabei die Verbindungsteile 10, 20 einstückig mit jeweiligen Gehäusen für ein Modul ausgebildet werden. Dies ist in den 4 und 5 für das zweite Verbindungsteil 20 veranschaulicht. Das zweite Verbindungsteil 20 bildet hierbei ein Gehäuse für ein Elektronikmodul zur Steuerung eines Motors. In einem inneren Hohlraum 42 des zweiten Verbindungsteils 20 ist eine Platine 44 aufgenommen. Die zweiten elektrischen Kontaktelemente 26 erstrecken sich durch den Grundkörper 22 des zweiten Verbindungsteils 20 in den Hohlraum 42. Über ein Anschlusselement 46 kann ein jeweiliges zweites elektrisches Kontaktelement 26 mit der Platine 44 verbunden werden.
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Wie 5 zeigt, kann die Platine 44 auch direkt mit dem elektrischen Kontaktelement 26 verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Im Ausführungsbeispiel nach 5 ist zudem eine weitere Platine 48 vorgesehen, die über eine Steckverbindung 50 mit der Platine 44 verbunden ist. Beispielsweise kann die Platine 44 eine Leistungselektronik zur Versorgung eines Motors tragen, während die Platine 48 eine Steuerlogik zur Ansteuerung des Motors ausbildet. Hierdurch ergibt sich ein modulares System, bei dem je nach Anforderung unterschiedliche Leistungselektroniken mit unterschiedlichen Steuerlogiken verbunden werden können.
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Selbstverständlich kann auch das erste Verbindungsteil 10 einstückig mit einem Gehäuse eines Moduls ausgebildet sein. Analog zum in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das erste Verbindungsteil 10 beispielsweise einen elektrischen Motor beherbergen, dessen Stator mit den elektrischen Kontaktelementen 18 verbunden ist. In obigem Beispiel kann dann die Leistungselektronik und die Steuerlogik mittels der elektrischen Kontaktelemente 18, 26 direkt mit dem Motor verbunden werden. Auch hier ergibt sich die Möglichkeit der Modularisierung, so dass beispielsweise eine Mehrzahl unterschiedlicher Motoren mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Steuerelektroniken kombiniert werden kann, um anwendungsspezifische Kombinationen zu schaffen.
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Die hier beschriebenen Vorrichtung 1 und Verbindungselemente 10, 20 sind vor allem für den Einsatz für elektrische Motoren, beispielsweise als Stellmotoren oder Pumpenmotoren, in Kraftwagen vorgesehen, können darüber hinaus jedoch überall Anwendung finden, wo eine einfache und robuste elektrische und mechanische Koppelung zweier Komponenten benötigt wird.
