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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können. Bei geringen Leistungen können die Stromschienen als Leiterbahnfolien ausgeführt werden. Bei höheren Leistungen, wie sie hier angenommen werden, werden die Wicklungsanschlussdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert.
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Zum Zwecke der geometrischen Beschreibung des Elektromotors wird zum einen die Drehachse des Motors als Mittelachse und Symmetrieachse angenommen. Der Stator ist konzentrisch mit der Drehachse und dem Rotor angeordnet. Die Drehachse definiert gleichzeitig eine Längsachse. Außerdem wird bezüglich der Mittelachse von einer Radialrichtung gesprochen, die den Abstand von der Mittelachse angibt, sowie von einer Umfangsrichtung, die tangential zu einem bestimmten in Radialrichtung angeordneten Radius ausgezeichnet ist. Die Anschlussseite des Stators, an der die Wicklungsdrähte mit der Stromschienenanordnung verbunden werden, wird als Oberseite des Stators beschrieben.
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Werden zur Ansteuerung der Phasen, insbesondere bei der Verwendung von Pulsweitenmodulation im kHz- bis MHz-Bereich elektrische Sprungsignale erzeugt, die beispielsweise eine sinusförmige Ansteuercharakteristik möglichst genau nachbilden sollen, ist mit der Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen im Bereich der Wicklungen und der Zuleitungen zu rechnen. Die Abstrahlung ist hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des Gleichstrommotors sowie der umliegenden Elektronik bei einem Einbau des Gleichstrommotors in einem Kraftfahrzeug als kritisch anzusehen. Deshalb tritt die Forderung nach erhöhter elektromagnetischer Verträglichkeit bzw. einer möglichst geringen Sendeaktivität immer weiter in den Vordergrund. Entsprechend sind diese bürstenlosen Gleichstrommotoren gut zu entstören. Herkömmlicherweise werden metallische Gehäuse zur Abschirmung verwendet.
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Ohne metallische Gehäuse entfällt die Möglichkeit Kondensatoren elektrisch wirksam an ein Motorgehäuse zu kontaktieren, wenn das Gehäuse elektrisch nichtleitend ist. Aus der Offenlegungsschrift
EP 2 911 278 A2 ist ein Kreiselpumpenmotor mit einem negative und einem positive elektrischen Anschluss, die mit dem Statorkern über einen Y-Kondensator elektrisch verbunden sind, bekannt. Eine bevorzugte Ausführung zur Kontaktierung des Stators besteht darin, dass zwischen der Leiterplatte und dem Statorkern eine elektrische Verbindung besteht, die über ein Kontaktmittel hergestellt ist. Dabei sind im Leiterplattenlayout der Leiterplatte die elektrischen Verbindungsleitungen zu den Y-Kondensatoren vorgesehen und die Y-Kondensatoren auf der Leiterplatte angeordnet. Das Kontaktmittel ist dabei in einem Leiterkanal eines Isolierstoffkörpers im Inneren des Statorkerns aufgenommen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung störender elektromagnetischer Abstrahlungssignale durch wirksame Verbindung von Teilen eines Elektromotors mit einem Massepotential zu minimieren. Dabei ist die Masseverbindung möglichst einfach, zuverlässig und montagefreundlich auszugestalten.
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Diese Aufgabe wird von einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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Demnach ist ein Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und einem den Rotor außen umgebenden Stator, der einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtendabschnitten gebildet sind und die Wicklungsdrahtendabschnitte elektrisch mit Sammelschienen stirnseitig kontaktiert sind, wobei die Sammelschienen zumindest teilweise in einem Sammelschienenhalter gehalten sind, und mit einem Kontaktmittel, vorgesehen, wobei das Kontaktmittel zur Verbindung des Stators mit einem Massepotential ausgeformt ist, und wobei das Kontaktmittel einen ersten Endbereich aufweist, der in eine auf der Außenseite des Statorkerns angeordnete Längsnut aufgenommen ist. Das Kontaktmittel stellt auf einfache und zuverlässige Art und Weise eine Verbindung mit dem Stator her. Eine der in dem Statorkern vorhandenen Längsnuten wird dabei zur Kontaktierung genutzt.
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Bevorzugt ist das Kontaktmittel Teil des Sammelschienenhalters. Es ist vorteilhaft, wenn der Sammelschienenhalter in einem Spritzgussverfahren geformt ist und das Kontaktmittel von dem Kunststoff umspritzt ist. Da das Kontaktmittel in dem Sammelschienenhalter integriert ist, lässt sich beim Aufsetzen des Sammelschienenhalters auf eine Oberseite des Stators auch das Kontaktmittel besonders einfach in die Längsnut einbringen.
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Zum Einbringen des Kontaktmittels in die Längsnut weist das Kontaktmittel bevorzugt einen Einpress-Kontaktabschnitt mit wenigstens einer gezackten Seitenfläche in dem ersten Endbereich auf. Vorzugsweise lässt sich so eine feste Pressverbindung herstellen.
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Vorzugsweise weist das Kontaktmittel in einem zweiten dem ersten Endbereich gegenüberliegenden Endbereich einen Abschnitt, insbesondere ein Pressfit-Abschnitt mit einem Einpressstift, zur festen Verbindung mit einer eine Steuereinheit tragenden Leiterplatte auf.
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Bevorzugt sind die beiden Endbereiche des Kontaktmittels über eine Kröpfung miteinander verbunden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die beiden Endbereiche in einer gemeinsamen Ebene liegen und das Kontaktmittel somit gerade bzw. plan ausgeformt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich der erste und der zweite Endbereich des Kontaktmittels im eingebauten Zustand parallel zur Längsachse des Elektromotors.
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Zur einfachen Herstellung kann vorgesehen sein, dass das Kontaktmittel ein ausgestanztes und umgeformtes Leitblech ist.
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Vorzugsweise besteht der Statorkern aus einem gestapelten Blechpaket, bei welchem die Einzelbleche untereinander flächig elektrisch isoliert, wobei das Kontaktmittel mindestens 10% aller Einzelbleche miteinander elektrisch verbindet.
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Der Sammelschienenhalter ist bevorzugt an der Oberseite des Stators befestigt.
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Die Spulen sind vorzugsweise in Richtung des Radius gesehen auf der Außenseite von einem Positionierungsmittel umgeben, an dem der Sammelschienenhalter gehalten ist.
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Vorzugsweise weist der Elektromotor ein aus einem spritzgusstechnisch verarbeitbaren Kunststoffmaterial bestehendes nichtleitendes Motorgehäuse auf.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung eines Stators eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Sammelschieneneinheit und Kontaktmittel,
- 2: eine perspektivische Darstellung einer Sammelschieneneinheit mit Kontaktmittel, sowie
- 3: eine perspektivische Darstellung des Kontaktmittels.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 mit montiertem, im Wesentlichen ringförmigem Sammelschienenhalter 2. Der Stator 1 weist einen Statorkern 3 auf, welcher sich koaxial zu einer Längsachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht dargestellten Statorkernsegmenten aufweist, um welche herum jeweils Spulen 4 gewickelt sind. Die Spulen 4 sind lediglich schematisch dargestellt. Die Spulen 4 werden in Richtung des Radius gesehen, auf der Außenseite von einem Positionierungsmittel 5 umgeben. Die Positionierungsmittel 5 können aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, um Kurzschlüsse zwischen Wicklungsdrähten unterschiedlicher Phasen zu vermeiden. Die Statorkernsegmente sind aufeinanderfolgend in der Umfangsrichtung des Stators 1 angeordnet. Die Statorkernsegmente können wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa aus ferromagnetischem Stahl, hergestellt sein. Der Stator 1 wird fest innerhalb eines Gehäuses eines Elektromotors montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 4 zu erzeugen. Ein nicht dargestellter magnetisierter Rotor wird dabei in der zentralen Öffnung 6 des Stators 1 montiert. Er ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 4 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. Eine Sammelschieneneinheit 7 ist dazu eingerichtet, die Spulen 4 des Stators mittels nicht dargestellter Sammelschienen elektrisch zu kontaktieren. Die Sammelschieneneinheit 7 umfasst den Sammelschienenhalter 2 und an dem Sammelschienenhalter 2 gehaltene Sammelschienen. Die Sammelschienen sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter 2 besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter 2 ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über wenigstens einen Teil der Sammelschienen. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 2 und den Sammelschienen bereitgestellt werden. Der Sammelschienenhalter 2 ist dazu eingerichtet, auf einer axialen Seite des Stators (Oberseite) positioniert zu werden.
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Die Sammelschieneneinheit 7 weist in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Arme 8 auf, die an ihrem Ende abgewinkelt sind und mit ihrem Ende in Anlage mit dem Positionierungsmittel 5 zur Befestigung an dem Stator 1 liegen und bevorzugt geclippt werden. Die Spulen 4 sind in drei Phasengruppen U, V, W gruppiert. Die Spulen der jeweiligen Phasengruppen U, V, W sind durch einen Wicklungsdraht gebildet, welcher um die entsprechenden Statorkernsegmente des Statorkerns 3 gewickelt ist und welcher mit einer Leistungsquelle mittels Wicklungsdrahtendabschnitten 9 verbunden werden kann. Dazu weist jede der Sammelschienen ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 10 auf, welches dazu eingerichtet ist, mit einer Leistungsquelle elektrisch verbunden zu werden, und mehrere Spulenverbindungsanschlusselemente 11, die jeweils dazu eingerichtet sind, mit einer Spule des Stators elektrisch verbunden zu werden, auf.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente 11 weisen eine im Wesentlichen U-förmige oder V-förmige Gestalt auf und erstrecken sich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 100. In anderen Worten, die Spulenverbindungsanschlusselemente 11 weisen ein im Querschnitt zur Längsachse 100 U-förmiges oder V-förmiges Profil auf und umgreifen jeweils einen im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung verlaufenden Wicklungsdrahtendabschnitt 9.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente 11 sind bevorzugt als Crimpelemente ausgebildet, die um die Wicklungsdrahtendabschnitte 9 gecrimpt werden. Auf diese Weise könne die Wicklungsdrahtendabschnitte 9 elektrisch mit den Sammelschiene einfach durch eine mechanische Verformung der jeweiligen Spulenverbindungsanschlusselemente 11 elektrisch verbunden werden. Der Sammelschienenhalter 2 weist eine Statorfläche 12 auf, die in Anlage mit der Stirnseite des Stators (Oberseite) 13 steht.
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Um ein hohes Maß an elektromagnetischer Verträglichkeit sicherzustellen, ist es wünschenswert den Stator zuverlässig und über einen möglichst geringen elektrischen Widerstand mit einem Massepotential zu verbinden. Ein Kontaktmittel 16 verbindet den Statorkern 3 unmittelbar mit einem Masseelement bzw. Massekontakt einer nicht dargestellten auf einer Leiterplatte angeordneten Steuereinheit. Der Statorkern 3 weist paketierte Statorbleche 14 auf. Der Statorkern 3 bzw. die Statorbleche 14 sind auf der Außenseite genutet. Die Nuten 15 sind Längsnuten. Sie erstrecken sich in Längsrichtung, bevorzugt über die komplette Höhe des Statorkerns und sind gleichmäßig entlang des Umfangs zueinander beabstandet angeordnet. Das Kontaktmittel 16 ist in einer Längsnut 15 aufgenommen. Das Kontaktmittel 16 weist einen Einpress-Kontaktabschnitt 17 in einem ersten Endbereich auf, der mit einer gezackten Kontur, insbesondere Widerhaken 18 versehen ist um sich in einer Längsnut 15 des Stators zur Herstellung einer Pressverbindung festkrallen zu können. Der Einpress-Kontaktabschnitt 17 ist flach, insbesondere blechförmig, wobei die Seitenfläche entlang der Längsrichtung die gezackte oder gezahnte Oberfläche trägt.
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Wie in den 2 und 3 im Detail dargestellt, weist das Kontaktmittel 16 in einem zweiten dem ersten Endbereich gegenüberliegenden Endbereich einen Pressfit-Abschnitt 19 zur festen Verbindung mit der Leiterplatte auf. Der Pressfit-Abschnitt 19 weist einen Einpressstift 20 auf, der eine größere Ausdehnung in einer Einpresszone im Vergleich zu einem Loch in der Leiterplatte aufweist. Beim Einpressen wird der Einpressstift plastisch verformt und ein gasdichter Kontakt mit niederohmigem Widerstand mit der Leiterplatte sichergestellt. Es sind nur geringe Einpresskräfte bei gleichzeitig hohen Haltekräften notwendig. Die beiden Endbereiche des Kontaktmittels 16 sind über eine Kröpfung 21 miteinander verbunden. Das Kontaktmittel 16 ist in den Sammelschienenhalter 2 integriert. Bevorzugt wird bei der Herstellung des Sammelschienenhalters 2 das Kontaktmittel 16 zumindest teilweise umspritzt, dabei stehen die beiden Endbereiche über das Spritzgussteil hinaus. Der erste und der zweite Endbereich des Kontaktmittels 16 erstrecken sich im eingebauten Zustand parallel zur Längsachse 100.
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Das Kontaktmittel erlaubt den Stator zuverlässig und über einen möglichst geringen elektrischen Widerstand mit einem Massepotential bzw. der Leiterplatte zu verbinden. Es vereinfacht den Montageprozesses. Beim Aufsetzen der Sammelschieneneinheit auf die Oberseite des Stators wird das Kontaktmittel in Längsrichtung in die Längsnut eingepresst und eine sichere Verbindung hergestellt. Mit der Sammelschieneneinheit wird die Leiterplatte der Steuereinheit bevorzugt über Press-Fit-Technologie verbunden. Die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 10 und der Pressfit-Abschnitt 19 des Kontaktmittels 16 sind dabei parallel zur Längsachse 100 ausgerichtet, so dass sie auf einfache Art und Weise durch entsprechende Öffnungen einer Leiterplatte geführt und mit dieser zur elektrisch Kontaktierung verbunden werden können. Die Leiterplatte erstreckt sich dabei bevorzugt parallel zur Oberseite des Stators bzw. des Sammelschienenhalters.
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Der Stator mit Sammelschieneneinheit kann in einen nicht gezeigten Elektromotor eingebaut werden. Der Elektromotor wird bevorzugt im Automotive-Bereich eingesetzt, insbesondere in einer Pumpe, bevorzugt einer elektrischen Ölpumpe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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