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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung von einem Kunststoff-Trägerbauteil mit einem Metall-Bauteil, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen, sowie einen Bürstenträger für eine elektrische Maschine, sowie eine elektrische Maschine.
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Aus dem Stand der Technik sind elektromotorische Antriebe bekannt, die beispielsweise zum Antrieb von Sitzverstellern, Fensterhebern oder Scheibenwischern in Kraftfahrzeugen dienen können. Diese Elektromotor-Antriebe haben einen in einem Motorgehäuse angeordneten Elektromotor, der in Wirkverbindung mit einem in einem Getriebegehäuse angeordneten Getriebe steht, wobei das Motorgehäuse und das Getriebegehäuse aneinander befestigt sind, z. B. miteinander verschraubt oder vernietet sind.
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Mit der
DE 10 2005 057 395 A1 ist ein Bürstenträger-Bauteil eines Elektromotors bekannt geworden, das auf einer Leiterplatine angeordnet ist. Zur elektrischen Kontaktierung des Kommutators sind Hammerbürsten im Bürstenträger-Bauteil befestigt. Dabei weisen die Bürstenarme der Hammerbürsten eine näherungsweise rechtwinklige Abknickung auf, an deren ersten freien Schenkel die Kohlebürste befestigt ist. Der andere, zweite Schenkel bildet ein Befestigungselement, das in eine Schiene des Bürstenträger-Bauteils eingeschoben wird. Zur Fixierung der Hammerbürsten sind diese mit dem zweiten Schenkel am Bürstenträger-Bauteil befestigt ist. Am zweiten Schenkel, der als Befestigungselement ausgebildet ist, sind Rasthaken ausgebildet, die sich in der Schiene verkrallen. Des Weiteren sind unmittelbar am zweiten Schenkel elektrische Kontaktpins angeformt, die durch Nuten in dem Bürstenträger-Bauteil hindurch in entsprechende Pin-Aufnahmen in der Leiterplatte eingreifen und beispielsweise mit dieser verlötet sind.
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Bei solch einer Ausführung sind die Hammerbürsten zusätzlich zu den Rasthaken über die Lötverbindung der elektrischen Pins in der Leiterplatte mechanisch gesichert. Für die Ausführung eines Bürstenträger-Bauteils, das nicht auf einer Leiterplatte befestigt ist, sondern direkt in das Gehäuse des Elektromotors eingesetzt ist, soll nun die elektrische Kontaktierung der Hammerbürsten von der mechanischen Befestigung der Bürstenhalter im Bürstenträger-Bauteil entkoppelt werden. Dazu ist aus der noch nicht veröffentlichen
DE 10 2017 223 462 ein Bürstenträger-Bauteil bekannt, in dem ein Durchbruch ausgeformt ist, in den ein Kontaktelement einer Hammerbürste mit einer Befestigungslasche eingefügt ist. Diese Befestigungslasche wird nach dem Einfügen in den Durchbruch um 90° mit einem relativ großen Biegeradius umgebogen. Dabei besteht die Gefahr, dass das Kontaktelement im Durchbruch wackelt, oder dass das Bürstenträger-Bauteil beim Umbiegen der Befestigungslasche mit einer großen Hebelkraft beschädigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Verbindung von einem Kunststoff-Trägerbauteil mit einem Metall-Bauteil, sowie der Bürstenträger und die elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch das Anformen der Torsionslaschen die Kohlebürsten zuverlässig am Kunststoff-Trägerbauteil gesichert werden können - unabhängig von der elektrischen Kontaktierung der Hammerbürsten. Dazu ist im Kunststoff-Trägerbauteil ein Durchbruch ausgebildet, durch den hindurch die Torsionslaschen gesteckt und mittels einer Torsionsbewegung plastisch verformt werden, so dass sie einen axialen Formschluss mit dem Kunststoff-Trägerbauteil bilden. Durch die Torsionsbewegung der Torsionslaschen wird auf den Grundkörper nur eine axiale Zugkraft ausgeübt, so dass eine störende Hebelwirkung durch eine Biegebeanspruchung auf das Kontaktelement vermieden wird. Dadurch werden zerstörerische Scherkräfte auf das Kunststoff-Trägerbauteil unterbunden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Durch die Ausbildung eines schmalen Stegs zwischen dem Grundkörper und dem Halteelement mit einem verringerten Materialquerschnitt, kann das Halteelement mit relativ geringer Torsionskraft verdreht werden, so dass die Krafteinwirkung auf den Grundkörper begrenzt wird. Dadurch kenn eine kontrollierte axiale Anpresskraft des Grundkörpers in der Aufnahme eingestellt werden, so dass eine Beschädigung der Aufnahme und ein Wackeln des Grundkörpers in der Aufnahme vermieden wird.
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Durch die Verdrehung des Halteelements um einen bestimmten Torsionswinkel gegenüber dem Querschnitt des Durchbruchs kann ein sicherer axialer Formschluss zwischen dem Kunststoff-Trägerbauteil und dem Metall-Bauteil realisiert werden. Die die Verwindung der Torsionslasche vornehmlich im axialen Bereich des Stegs erfolgt, wird die Form des Halteelements mit den daran angeformten Halteflächen durch die Torsionsbewegung nur wenig beeinflusst. Dadurch können die Halteflächen klar definiert an den gegenüberliegenden Anlageflächen am Rand des Durchbruchs anliegen. Entsprechen der auftretenden Axialkräften kann der Torsionswinkel so groß gewählt werden, dass ein ausreichend großer Hinterschnitt bezüglich der Axialrichtung ausgebildet wird.
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Besonders kostengünstig kann das Metall-Bauteil zusammen mit der Torsionslasche als Biege-Stanzteil ausgebildet werden, an dem die Torsionslasche einstückig angeformt ist. Als Grundmaterial kann ein Metallblech mit einer konstanten Blechdicke verwendet werden, so dass der Grundkörper und die Torsionslasche besonders einfach die gleiche Blechdicke aufweisen. Zur Verwendung des Metall-Bauteils als elektrisch leitendes Element kann dieses bevorzugt aus einem kupferhaltigen Metall ausgebildet sein. Ein solches kupferhaltiges Material weist einerseits eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf, und kann andererseits zur Ausbildung des axialen Formschlusses mit geringer Kraft plastisch mittels einer Torsionsbewegung umgeformt werden.
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Um bei der Torsionsbewegung des Halteelements eine steigende axiale Verspannung des Metall-Bauteils mit dem Kunststoff-Trägerbauteil zu erzeugen, sind am Rand des Durchbruchs Anlageflächen ausgebildet, die bezüglich einer Ebene quer zur Einsteckrichtung eine Steigung aufweisen. Durch die Torsionsbewegung gleiten die Halteflächen des Halteelements an den schrägen Anlageflächen entlang, wodurch die axiale Verspannkraft zunimmt. Die Zunahme der axialen Anpresskraft ist von der Steigung der schrägen Anlageflächen abhängig, wobei der maximale Torsionswinkel dann die axiale Anpresskraft begrenzt. Durch die plastische Verformung der Torsionslasche ist das Halteelement gegen eine Rückdrehung gesichert.
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Das Halteelement weist bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt auf, das in einen korrespondierenden rechteckförmigen Querschnitt des Durchbruchs eingesteckt wird. Wird das Halteelement nach dem vollständigen Einfügen durch den Durchbruch mittels der Torsionsbewegung verdreht, schieben sich die Halteflächen über den Rand des Durchbruchs auf die Längsseiten des Umfangsrands des rechteckförmigen Durchbruchs, wodurch ein axialer Hinterschnitt erzielt wird. Dabei weisen die Längsseiten eine Neigung in entgegengesetzter Richtung auf, so dass jede der beiden Haltefläche bei ihrer Verdrehung entlang der Längsseiten eine Steigung in Axialrichtung erfährt. Dabei können die Anlageflächen entlang den Längsseiten des Durchbruchs beispielsweise als keilförmige Rampen mit einem entsprechenden Neigungswinkel gegenüber der Ebene, die sich senkrecht zur Axialrichtung erstreckt.
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In einer weiteren Ausführung können die schrägen Anlageflächen innerhalb einer axialen Vertiefung angeordnet sein, die den Durchbruch umschließt. Ausgehend von einer ebenen Fläche der Grundplatte, die dem Grundkörper axial gegenliegt, neigen sich hierbei die schrägen Anlageflächen in die axiale Vertiefung hinein. Auch bei dieser Ausführung fällt eine erste schräge Anlagefläche entlang dem Rand des Durchbruchs von links nach rechts ab, während die zweite schräge Anlagefläche von rechts nach links - quasi gegenläufig - abfällt. Dadurch wirkt bei der Torsionsbewegung auf die beiden Halteflächen immer eine symmetrische axiale Anpresskraft, wodurch eine zuverlässige und haltbare Verbindung geschaffen wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Metall-Bauteil Teil einer Hammerbürste zur Bestromung einer elektrischen Maschine. Dabei weist die Hammerbrüste, an der der Kohle gegenüberliegenden Seite ein Kontaktelement auf, das hier durch das Metall-Bauteil gebildet ist. Dieses Kontaktelement wird in eine Aufnahmetasche eines Bürstenhalter-Bauteils eingesteckt, das hier das Kunststoff-Trägerbauteil bildet. Bevorzugt ist der Durchbruch an der Bodenfläche der Aufnahmetasche ausgebildet, worin die Torsionslasche mit dem daran sich erstreckenden Kontaktelement eingesteckt ist.
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Besonders günstig kann der Federarm mittels einer Nietverbindung mit dem Kontaktelement verbunden sein, da dadurch keine weiteren Verbindungselemente notwendig sind. Bevorzugt sind am Kontaktelement einstückig Nietstifte ausgeformt, die sich quer zur Kontaktfläche des Kontaktelements erstrecken. Diese Nietstifte greifen in entsprechende Durchgangslöcher in einer Befestigungsfläche des Federarms und sind an ihrem freien Ende zu einem Nietkopf umgeformt.
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Fertigungstechnisch können die Torsionslaschen sehr einfach als Stanzteil ausgebildet werden, das bevorzugt einstückig mit dem Kontaktelement der Hammerbürste ausgebildet ist. Dabei kann in einem Arbeitsgang beispielweise aus einem Kupferblech das Kontaktelement mit der Torsionslasche und einer angeformten Kontaktlasche hergestellt werden. Dabei ist die Kontaktlasche besonders vorteilhaft axial gegenüberliegend zu der Torsionslasche am Kontaktelement angeformt. Durch die Verwendung eines Kupferblechs als Ausgangsmaterial ist einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit der Kontaktlasche gewährleistet, und andererseits eine gute plastische Formbarkeit der Torsionslasche. An der Kontaktlasche ist bevorzugt eine Gabelaufnahme ausgestanzt, in die ein elektrischer Draht zur Kontaktierung der Hammerbürste eingelegt werden kann. Alternativ kann die Kontaktlasche aber auch einen flächigen Schweiß- oder Lötkontakt zur Anbindung an einen beliebigen elektrischen Leiter aufweisen - oder alternativ mit einer Schneid-Klemm-Verbindung verbunden werden. An eine solchen Kontaktlasche kann auch ein elektrischer Anschlussdraht beispielsweise einer Entstördrossel oder ein gestanztes Leiterelement angeschlossen werden.
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In einer alternativen Ausführung ist das Metall-Bauteil als Köcher einer Bürstenanordnung ausgebildet, der die radiale Führung für die Kohlebürsten bildet. Bei dieser Ausführung sind an einem Grundkörper des Köchers - bevorzugt einstückig - die Torsionslaschen in Axialrichtung angeformt, die sich durch entsprechende axiale Durchbrüche einer Bürstenträger-Grundplatte hindurch erstrecken. Dadurch wird der Köcher fest auf der Bürstenhalter-Grundplatte fixiert und die Kohlebürsten werden radial beweglich innerhalb des Köchers gegen den Kommutator des Rotors gepresst. Bei der Ausbildung des Metall-Bauteils als Köcher ist es besonders günstig, wenn an dessen beiden radialen Enden jeweils eine Torsionslasche angeformt ist. Dadurch kann der Köcher, der näherungsweise radial zum Kommutator ausgerichtet ist, über zwei beabstandete Torsionsverbindungen der beiden Torsionslaschen zuverlässige mechanisch an der Bürstenhalter-Grundplatte befestigt werden. Der Köcher ist dabei bevorzugt aus einem Stahlblech ausgestanzt und umgeformt, wobei die Torsionslaschen jeweils in einem Arbeitsprozess einstückig mit ausgestanzt werden können.
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Durch das Anformen der Torsionslasche unmittelbar an ein als elektrisches Leiterelement ausgeführtes Metall-Bauteil, kann dieses in sehr einfacher Weise an einem Kunststoff-Bauteil befestigt werden. Dabei kann die Torsionslasche direkt nach dem Einfügen in den Durchbruch der Anschlussplatte mittels der Torsionsbewegung plastisch umgeformt werden, so dass die Halteflächen formschlüssig an den schrägen Anlageflächen am Rand des Durchbruchs anliegen. Dadurch entfällt ein zusätzlicher Montageprozess, wie beispielsweise das Heiß-Verstemmen oder das partielle Umspritzen des elektrischen Leiterelements.
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Bevorzugt ist das Kunststoff-Trägerbauteil als Bürstenträger mit einer Grundplatte ausgebildet, in der eine zentrale Aussparung für die Rotorwelle ausgeformt ist. Diese Grundplatte erstreckt sich vorteilhaft näherungsweise senkrecht zur Rotorwelle. Der Durchbruch für die Torsionslaschen ist besonders günstig in dieser Grundplatte ausgeformt, so dass sich die Torsionslaschen in Axialrichtung durch den Durchbruch hindurch schieben lassen. Zur Ausbildung eines Formschlusses werden dann die Halteelemente entlang der schrägen Anlageflächen seitlich am Durchbruch verdreht um eine plastische Verformung auszubilden.
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Zur Befestigung der Hammerbürsten im Bürstenträger sind in Letzterem vorteilhaft Aufnahmetaschen ausgeformt, in die das Kontaktelement eingesteckt wird. Der Bürstenträger ist beispielweise topfförmig ausgebildet, und wird axial bestückt. So wird das Kontaktelement bevorzugt in Axialrichtung in die in Axialrichtung offene Aufnahmetasche eingefügt, so dass die Torsionslaschen durch den Durchbruch hindurchgreifen, der bevorzugt am Boden der Aufnahmetasche ausgebildet ist. Dadurch kann das Kontaktelement in der Aufnahmetasche verklemmt werden und anschließend durch die Torsionsbewegung der Torsionslasche axial gesichert werden. Dadurch ist die Hammerbürste mechanisch fest am Bürstenträger fixiert und gleichzeitig kann über eine elektrische Kontaktlasche am Kontaktelement die Stromversorgung der Bürstenkohle realisiert werden. Dabei wird das Kontaktelement bevorzugt in die Aufnahmetasche eingeführt, die fertigungstechnisch sehr günstig einstückig mit dem als Spritzgussteil gefertigten Bürstenträger hergestellt ist. Im Bürstenträger sind ebenso Aufnahmen für die Entstörbauteile ausgeformt, die bevorzugt als Entstördrosseln ausgebildet sind. Dabei kann das Entstörbauteil direkt mit der axial aus der Aufnahmetasche des Kontaktelements ragenden Kontaktlasche elektrisch verbunden werden. Ein weiterer Anschluss des Entstörbauteils wird vorteilhaft durch die Grundplatte des Bürstenträger hindurchgeführt, um beim axialen Aufsetzen eines Steckermoduls elektrisch mit diesem verbunden zu werden.
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Bevorzugt sind dabei Hammerbürsten in ein Bürstenträger-Bauteil eingebaut, das als standardisiertes gleichbleibendes Teil der elektrischen Maschine ausgebildet werden kann. Darauf wird ein Steckermodul aufgesteckt, dass an die kundenspezifische Anforderung angepasst werden kann. Dabei ist das recht komplexe, toleranzempfindliche Bürstenträger-Systems unabhängig von der Montage des Steckermoduls, so dass zur Anpassung der elektrischen Maschine an die Kundenanforderungen nicht jedes Mal das komplexe Bürstenhalter-System neu ausgelegt werden muss. Dabei ist es besonders günstig, wenn das Steckermodul direkt in das Polgehäuse eingefügt wird, ohne von den Fertigungstoleranzen des Bürstenträger-Bauteils beeinflusst zu werden. Dadurch soll das Bürstenträger-Bauteil in einem modularen Motor-Baukasten immer als Standard-Bauteil ausgebildet sein und nur das Steckermodul mit den entsprechenden Elektronikkomponenten den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die elektrische Kontaktierung der Hammerbürsten findet dabei erst bei der Verbindung mit dem Steckermodul statt, so dass der Bürstenträger nicht mehr über die Ausbildung der stoffschlüssigen elektrischen Kontaktierung mechanisch im Bürstenträger gesichert werden kann.
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Der erfindungsgemäße Bürstenträger wird besonders bevorzugt in einer elektrischen Maschine eingebaut, die beispielsweise als Stellmotor für bewegliche Teile im Kraftfahrzeug ausgebildet ist - z. B. zum Verstellen von Fensterscheiben, dem Schiebedach oder Sitzteilen. Dabei werden die Kohlebürsten der Hammerbürsten oder des Köcher-Bürstensystems radial gegen den Kommutator der Rotorwelle gepresst, um die elektrische Wicklung des Rotors zu bestromen.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren einer Verbindung zwischen dem Metall-Bauteil und dem Kunststoff-Trägerbauteil können die Montagekräfte deutlich reduziert werden, so dass eine Beschädigung des Kunststoff-Trägerbauteils verhindert werden kann. Nach dem axialen Einstecken der Torsionslasche in den Durchbruch wird das Metall-Bauteil bevorzugt mittels eines Haltewerkzeugs axial fest gegen das Kunststoff-Trägerbauteil gepresst. An der dem Metall-Bauteil gegenüberliegenden Seite des Kunststoff-Trägerbauteils wird nun entgegen der Einsteckrichtung das Torsionswerkzeug auf die Torsionslasche aufgesetzt. Durch die Torsionsbewegung des Halteelements wird der Steg der Torsionslasche in sich plastisch verdrillt, so dass die Halteflächen axial an den Anlageflächen anliegen, die am Rand des Durchbruchs ausgebildet sind. Weisen die Anschlagsflächen eine Steigung bezüglich der Halteflächen in Axialrichtung auf, kann durch die Drehbewegung eine zunehmende axiale Verspannung dieser Flächen realisiert werden. Durch solch eine Torsionsbewegung um beispielsweise 20° bis 80° wird ein axialer Formschluss erzeugt ohne dass auf das Metall-Bauteil Hebelkräfte einer Verbiegung wirken können, die das Kunststoff-Trägerbauteil beschädigen können. Somit ist durch die Verdrehung der Torsionslasche eine zuverlässige formschlüssige Verbindung zwischen dem Metallbauteil und dem Kunststoff-Trägerbauteil geschaffen, bei dem die maximalen, auf das Kunststoff-Bauteil wirkenden Montagekräfte gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich reduziert werden können.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Gesamtansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein im Polgehäuse montiertes Bürstenträger-Bauteil,
- 3 ein Bürstenträger-Bauteil von unten, vor der Montage in das Motorgehäuse,
- 4a-c schematisch die Ausbildung der erfindungsgemäßen Verbindung mittels der Torsionslasche,
- 5 eine Detailansicht der Torsionslasche gemäß 4,
- 6 und 7 Darstellungen einer weiteren Ausführung mit einem Köcher, und
- 8 und 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem elektrischen Leiterelement als Metall-Bauteil.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine elektrische Maschine 10, wie sie beispielsweise zum Verstellen beweglicher Teile - vorzugsweise Fensterscheiben, Schiebedächer oder Sitzkomponenten - im Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Dabei ist in einem Polgehäuse 12 ein Stator 13 angeordnet, innerhalb dem ein Rotor 15 angeordnet ist, dessen Rotorwelle 20 sich in Axialrichtung 24 vom Polgehäuse 12 in ein axial sich anschließendes Getriebegehäuse 14 hinein erstreckt. Dabei wird das Antriebsmoment von der Rotorwelle 20 auf ein im Getriebegehäuse 14 angeordnetes Getriebe übertragen, das ein Abtriebselement 22 aufweist, das mit einer nicht dargestellten Mechanik zusammenwirkt, die beispielsweise Teile eines Fahrzeugsitzes oder eine Fensterscheibe im Kraftfahrzeug bewegt. In Axialrichtung 24 ist zwischen dem Polgehäuse 12 und dem Getriebegehäuse 14 ein Steckermodul 16 angeordnet, das elektrisch mit einem Bürstenträger-Bauteil 17 zur elektrischen Kontaktierung eines auf der Rotorwelle 20 angeordneten Kommutators 55 verbunden ist. Dabei ist das Bürsten-System als Hammerbürsten 27 ausgebildet, deren Kohlen 26 jeweils an ersten Enden 51 eines Federarms 50 angeordnet sind. Gegenüberliegende zweite Enden 52 der Federarme 50 sind am Bürstenhalter-Bauteil 17 befestigt, sodass die Hammerbürsten 27 federnd gegen den Kommutator 55 gepresst werden. Das Steckermodul 16 weist einen Anschluss-Stecker 18 auf, der mittels eines radialen Steges 30 an das Steckermodul 16 angebunden ist. Das Bürstenträger-Bauteil 17 ist beispielsweise separat vom Steckermodul 16 hergestellt und ist radial vollständig innerhalb des Polgehäuses 12 angeordnet. Das Steckermodul 16 weist eine Basisplatte 32 auf, die eine zentrale Aussparung 34 aufweist, durch die hindurch sich in Axialrichtung 24 die Rotorwelle 20 in das Getriebegehäuse 14 hinein erstreckt. Aus 1 ist ersichtlich, dass das Steckermodul 16 beispielsweise zwischen zwei Flanschen 92, 94 des Polgehäuses 12 und des Getriebegehäuses 14 axial eingespannt ist, wobei ein äußerer Umfangsrand 44 des Steckermoduls 16 in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig einen Teil der Außenwand 45 der elektrischen Maschine 10 bildet. Beispielsweise wird das Getriebe-Gehäuse 14 mit dem Polgehäuse 12 mittels Schrauben oder anderen Verbindungselementen 48 verbunden, wodurch das Steckermodul 16 zwischen dem Polgehäuse 12 und dem Getriebegehäuse 14 fest verspannt und fixiert ist. Dazu greifen die Verbindungselemente 48 durch Anschraubaugen 91 am Flansch 92 des Polgehäuses 12 hindurch in korrespondierende Gegenaufnahmen 90 im Getriebegehäuse 14.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 10 dargestellt, bei der das Bürstenträger-Bauteil 17 auf den Rotor 15 im Polgehäuse 12 gefügt ist. Das Bürstenträger-Bauteil 17 ist in Axialrichtung 24 weitgehend in das Polgehäuse 12 eingeschoben, so dass dieses näherungsweise axial mit dem Flansch 94 des Polgehäuses 12 abschließt. Dabei ist das Bürstenträger-Bauteil 17 über seinen gesamten Umfang von der Polgehäusewand 60 umschlossen. Im Inneren des Bürstenträger-Bauteils 17 sind die Hammerbürsten 27 angeordnet, deren Kohlen 26 radial am Kommutator 55 anliegen, der drehfest auf der Rotorwelle 20 befestigt ist. Der Kommutator 55 ist mit Wicklungen 56 des Rotors 15 verbunden, so dass sich der bestromte Rotor 15 im Magnetfeld von Statormagneten 62 dreht. Das Bürstenträger-Bauteil 17 weist an seinem äußeren Umfang Positionierungsflächen 67 auf, die das Bürstenträger-Bauteil 17 radial im Polgehäuse 12 zentrieren, wodurch die Hammerbürsten 27 exakt gegenüber dem Kommutator 55 positioniert werden. Die Positionierflächen 67 liegen radial unmittelbar an der Innenseite 77 der Polgehäusewand 60 an. Durch das axiale Einpressen der Positionierflächen 67 wird das Bürstenträger-Bauteil 17 bevorzugt gleichzeitig radial zentriert und mittels Kraftschluss im Polgehäuse 12 fixiert. Das Bürstenträger-Bauteil 17 weist am äußeren Umfang 64 axiale Aussparungen 80 auf, in die bei der Montage des Steckermoduls 16 an diesem angeformte axiale Fortsätze axial eingefügt werden. In der Mitte des Bürstenhalter-Bauteils 17 ist ein zentraler Rohrstumpf 36 ausgeformt, der ein Lager 38 für die Rotorwelle 20 aufnimmt. Beispielsweise ist das Lager 38 der Rotorwelle 20 in den Rohrstumpf 36 eingepresst. Dadurch wird der Kommutator 55 auf der Rotorwelle 20 exakt zu den Bürstenkohlen 26 positioniert. Das Bürstenhalter-Bauteil 17 weist eine Grundplatte 21 quer zur Axialrichtung 24 auf, in der ein Durchbruch 96 zur axialen Durchführung einer Torsionslasche 104 in Einsteckrichtung 25 entlang der Axialrichtung 24 ausgebildet ist. Die Torsionslasche 104 ist an einem Metall-Bauteil 102 angeformt, das hier am zweiten Ende 52 der Hammerbürste 27 zu deren Befestigung angeordnet ist. Die Torsionslasche 104 wurde nach deren Einstecken in den Durchbruch 96 um eine Torsionsachse 28 verdreht, so dass die Torsionslasche 104 einen Hinterschnitt mit der Grundplatte 21 bezüglich der Einsteckrichtung 25 bildet, wie dies beispielsweise näher in 4 dargestellt ist. Das Metall-Bauteil 102 ist insbesondere mit einem Entstörbauteil - beispielsweise einer Entstördrossel 99 - elektrisch kontaktiert, die ebenfalls im Bürstenhalter-Bauteil 17 angeordnet ist.
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In 3 ist ein Bürstenträger 17 gemäß 2 axial von unten dargestellt. An den ersten Ende 51 der Federarme 50 der Hammerbürsten 27 sind die Kohlen 26 angeordnet. An den zweiten gegenüberliegenden Enden 52 sind die Federarme 50 an Kontaktelementen 103 befestigt, die in Aufnahmetaschen 61 im Bürstenhalter 17 eingepresst sind. Diese Aufnahmetaschen 61 sind zum Polgehäuse 12 hin offen ausgebildet und weisen zum Getriebegehäuse 14 hin eine Bodenfläche 63 auf. Diese Bodenfläche 63 ist Teil der Grundplatte 21 und ist hier als Kunststoff-Trägerbauteil 100 ausgebildet, in das der Durchbruch 96 für die Torsionslaschen 104 ausgeformt ist. Beim Einpressen der Kontaktelemente 103 in Einsteckrichtung 25 werden gleichzeitig die Torsionslaschen 104 entlang der Einsteckrichtung 25 durch den Durchbruch 96 hindurch gesteckt. Anschließend werden die Torsionslaschen 104 mittels einer Torsionsdrehung 29 derart plastisch umgeformt, dass sie einen axialen Formschluss mit der Grundplatte 21 bilden, wie dies in 4 dargestellt ist. In Axialrichtung 24 ist gegenüberliegend zu den Torsionslaschen 104 an dem Metall-Bauteil 102 beispielsweise eine Kontaktlasche 108 angeformt, die mit einer elektrischen Stromversorgung für die Hammerbürste 27 verbunden wird. Bevorzugt sind die Kontaktlaschen 108 mit den Entstördrosseln 99 verbunden, die in entsprechende Ausnehmungen 101 des Bürstenhalters 17 eingefügt werden.
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Anhand der 4 ist das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Verbindung 11 zwischen dem Metall-Bauteil 102 und dem Kunststoff-Trägerbauteil 100 dargestellt. In 4a ist die Torsionslasche 104 entlang der Einsteckrichtung 25 in den Durchbruch 96 mittels eines Haltewerkzeugs 110 eingeschoben. Das Metall-Bauteil 102 weist einen Grundkörper 109 auf, an dem in Axialrichtung 24 die Torsionslasche 104 angeformt ist. Die Torsionslasche 104 weist einen schmalen Steg 111 auf mittels dem ein Halteelement 105 der Torsionslasche 104 am Grundkörper 109 angebunden ist. Das Metall-Bauteil 102 ist beispielsweise als Biege-Stanzteil mit einer gewissen Blechdicke 88 ausgebildet. Der Grundkörper 109 weist bevorzugt näherungsweise die gleiche Blechdicke 88 auf, wie der Steg 111 und das Halteelement 105. Quer zur Blechdicke 88 und quer zur Einsteckrichtung 25 ist der Steg 111 schmaler ausgebildet als das Halteelement 105. Dadurch sind an dem Halteelement 105 zum Grundkörper 109 hin Halteflächen 65 ausgebildet, die sich quer zur Einsteckrichtung 25 - näherungsweise senkrecht dazu - erstrecken. Das Kontaktelement 103 ist in eine Aufnahme 61 eingesteckt, die am Bürstenträger-Bauteil 17 ausgebildet ist. Dabei liegt der Grundkörper 109 axial an einer Bodenfläche 63 der Aufnahme 61 an, die als erste Seite 106 des Kunststoff-Trägerbauteils 100 ausgebildet ist, die zum Grundkörper 109 hin gewandt ist. In 4a wird das Metall-Bauteil 102 mittels dem Haltewerkzeug 110 in Einsteckrichtung 25 gegen die Bodenfläche 63 der Aufnahmetasche 61 gedrückt. In dieser Position kann das Torsionswerkzeug 112 entgegen der Einsteckrichtung 25 axial auf das freie Ende des Haltebereichs 105 gefügt werden.
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In 4b ist nun dargestellt, wie das Torsionswerkzeug 112 des Halteelement 105 um die Torsionsachse 28 verdreht. Dabei wird insbesondere der Steg 111 plastisch verformt, bevorzugt über seine axiale Länge verdrillt. Durch die Torsionsbewegung 29 des Halteelements 105 gleiten die Halteflächen 65 des Halteelements 105 an Auflageflächen 98 entlang, die an einem Rand 89 des Durchbruchs 96 an der dem Grundkörper 109 abgewandten Seite des Kunststoff-Trägerbauteils 100 ausgebildet sind. Der Durchbruch 96 weist hier eine rechteckförmigen Querschnitt 86 quer zur Einsteckrichtung 25 auf. An den Längsseiten des Querschnitts 86 sind dann gegenüberliegend jeweils eine Anlagefläche 98 für das Halteelement 105 angeformt. Die Anlageflächen 98 weisen eine Schräge auf, die gegenüber einer Ebene 31 quer zur Einsteckrichtung 25 geneigt sind. Entlang der Längsrichtung des rechteckförmigen Querschnitts 86 sind die beiden schrägen Anlageflächen 98 in entgegengesetzte Richtung geneigt. Der Neigungswinkel der beider Anlageflächen 98 zu der Ebene 31 ist bevorzugt betragsmäßig gleich groß und liegt insbesondere im Bereich von 3° bis 20°, bevorzugt zwischen 5° und 10°. Durch die Torsionsbewegung 29 des Halteelements 105 werden die beiden zur Torsionsachse 28 gegenüberliegenden Halteflächen 65 axial mit den beiden schrägen Anlageflächen 98 verpresst, wobei die Anpresskraft durch den maximalen Torsionswinkel 95 und den Neigungswinkel 33 der schrägen Anlageflächen 98 bestimmt wird.
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4c zeigt die fertige Verbindung 11 zwischen dem als Kontaktelement 103 ausgebildeten Metall-Bauteil 102 und dem als Bürstenhalter 17 ausgebildeten Kunststoff-Trägerbauteil 100. Das Torsionswerkzeug 112 und das Haltewerkzeug 110 sind beide entfernt, da nun das Halteelement 105 mittels eines axialen Formschlusses zuverlässig am Kunststoff-Trägerbauteil 100 befestig ist. Diese Verbindung 11 ist sehr zuverlässig und materialschonend für die Aufnahmetasche 61, da die Torsionsbewegung 29 keine Biegekräfte und dadurch auch keine Hebelwirkung auf den Grundkörper 109 bewirkt. Dabei kann ein ausreichender axialer Hinterschnitt zwischen dem Halteelement 105 und der dem Grundkörper 109 abgewandten Seite 107 des Kunststoff- Trägerbauteils 100 erzielt werden, ohne dass das Kunststoff-Trägerbauteil 100 beschädigt wird. Im Ausführungsbeispiel der 4 ist der Grundkörper 109 als Kontaktelement 103 einer Hammerbürste 27 ausgebildet, an dem mittels Nieten 115 der Federarm 50 der Hammerbürste 27 befestigt ist. Dabei ist das Kontaktelement 103 beispielsweise aus Kupfer hergestellt und der Federarm 50 beispielsweise aus einem Federstahl. Der Federarm 50 erstreckt sich dabei von der Aufnahmetasche 61 für das Kontaktelement 103 bis hin zum Kommutator 55, der zentral auf der Rotorwelle 20 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist axial gegenüberliegend zur Torsionslasche 104 ein Kontaktelement 108 angeformt, das elektrisch mit einer Stromversorgung verbunden werden kann. Hierzu ist das Kontaktelement 108 beispielsweise gabelförmig ausgebildet, so dass in dieses ein Anschluss-Draht eingelegt werden kann, der dann fest mit dem gabelförmigen Kontaktelement 108 verbunden wird.
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In 5 ist die Ausführung der Verbindung 11 gemäß 4 im Detail dargestellt. Durch die Schnittdarstellung entlang der Längsseite des Durchbruchs 96, ist hier nur eine schräge Anlagefläche 98 zusehen. Der schmale Steg 111 zwischen dem Grundkörper 109 und dem Halteelement 105 ist im gezeigten befestigten Zustand in sich verdreht. Der rechteckförmige Querschnitt 86 ist dabei entlang seiner kurzen Seite so groß ausgebildet, dass sich der Steg 111 darin verwinden kann. Dabei ist der Steg 111 im Bereich des Durchbruchs 96 plastisch umgeformt, wobei lediglich eine Zugkraft in Axialrichtung 24 auf den Grundkörper 109 ausgeübt wird. An den Enden des Stegs 111 sind bevorzugt im Verbindungsbereich zum Grundkörper 109 und/oder zum Halteelement 105 Radien 35 ausgebildet um das Auftreten von Kerbrissen zu verhindern. Die beiden schrägen Anlageflächen 98 sind bevorzugt axial vollständig innerhalb einer axialen Vertiefung 82 an der dem Grundkörper 109 abgewandten Seite 107 des Kunststoff-Trägerbauteils 100 angeordnet. Die schrägen Anlageflächen 98 gehen dabei an ihrem dem Grundkörper 109 abgewandten Bereich 85 übergangslos in die ebene Seitenfläche der abgewandten zweiten Seite 107 des Kunststoff-Trägerbauteils 100 über. Da letzter bevorzugt als Spritzguss-Teil hergestellt ist, lassen sich die schrägen Anlageflächen 98 einfach mittels Schiebern im Spritzguss-Werkzeug anformen.
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In 6 ist eine weitere Ausführung einer Verbindung 11 dargestellt, bei der das Kunststoff-Trägerbauteil 100 als Bürstenhalter 17 ausgebildet ist. Das Metall-Bauteil 102 ist hierbei als Köcher 70 ausgebildet, in dem eine Kohlebürste 71 in Radialrichtung 23 verschiebbar ist. Der Köcher 70 ist beispielsweise als Stanz-Biegeteil aus einem Stahlblech hergestellt und weist eine Längserstreckung 72 in Radialrichtung 23 auf. Die Kohlebürste 71 wird innerhalb des Köchers 70 in Radialrichtung 23 gegen den Kommutator 55 gepresst. An dem als Grundkörper 109 ausgebildeten Köcher 70 sind einstückig Torsionslaschen 104 angeformt, die jeweils in einen Durchbruch 96 in der Grundplatte 21 des Bürstenhalters 17 in Einsteckrichtung 25 gefügt werden. Im Ausführungsbeispiel ist an beiden Enden der Längserstreckung 72 jeweils eine Torsionslasche 104 angeordnet. Die Tiefe 97 des Durchbruchs 96 durch die Grundplatte 21 ist hier verlängert, indem an der Unterseite 107 der Grundplatte 21 (die dem Grundkörper109 abgewandt ist) axiale Fortsätze 73 angeformt sind, die als schräge Rampen 84 ausgebildet sind. An diesen Rampen 84 sind die schrägen Anlageflächen 98 ausgebildet, an denen im verbundenen Zustand die Halteflächen 65 der Halteelemente 105 axial anliegen.
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In 7 zeigt eine weitere Darstellung gemäß 6 als Schnitt durch den Durchbruch 96. Dabei ist gut sichtbar, dass die Torsionslasche 104 ausgehend von einer Grundfläche 74 des Köchers 70 näherungsweise rechtwinklig axial nach unten umgebogen ist. Im Bereich 113 der Anbindung der Torsionslasche 104 an die Grundfläche 74, ist der Steg 111 und daran axial anschließend der Haltebereich 105 ausgeformt. Die Halteflächen 65 werden im eingesteckten Zustand der Torsionslasche 104 um die Torsionsachse 28 verdreht, so dass die Halteflächen 65 gegenüber der schrägen Anlageflächen 98 der Rampen 84 axial verspannt werden, um den Köcher 70 axial fest gegen die Grundplatte 21 zu pressen. In 7 ist noch keine Kohlenbürste 71 in den Köcher 70 eingefügt. An der Oberseite 106 des Grundplatte 21 (dem Grundkörper 109 zugewandt) sind Anlagestege 75 ausgebildet, an denen der Köcher 70 axial mit seiner Grundfläche 74 aufliegt. Dadurch ist gewährleistet, dass die von der Grundfläche 74 umgebogenen Torsionslaschen 104 sauber in den Durchbruch 96 eingreifen, ohne dass der Anbindungsbereich 113 zwischen der Grundfläche 74 und der Torsionslasche 104 an der dem Grundkörper 109 zugewandten Kante des Durchbruchs 96 anliegt.
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In 8 ist eine weitere Ausführung einer Verbindung 11 zwischen einem Metallbauteil 102 und einem Kunststoff-Trägerbauteil 100 dargestellt. Das Kunststoff-Trägerbauteil 100 ist hier als Anschlussplatte 118 für eine Statorwicklung ausgebildet, wie sie beispielsweise bei einem elektronisch kommutierten EC-Motor 10 angeordnet ist. Die Anschlussplatte 118 ist axial oberhalb der Statorwicklungen angeordnet und ist elektrisch mit dieser verbunden. Dazu sind als Metall-Bauteile 102 elektrische Leiterelemente 119 an der Anschlussplatte 118 befestigt, die an einem Ende Kontaktbereiche 120 zur Verbindung mit der Statorwicklung aufweisen und an einem anderen Ende Anschluss-Pins 121 zur Verbindung mit einer Elektronikeinheit der elektrischen Maschine 10. Die Anschluss-Pins 121 sind beispielsweise in einer axialen Pin-Halterung 122 eingesteckt, die einstückig aus Kunststoff mit der Anschlussplatte 118 ausgebildet ist. Zwischen dem Anschluss-Pin 121 und dem Kontaktbereich 120 weist das elektrische Leiterelement 119 bevorzugt gebogene und/oder mäanderförmige Bereiche 117 auf, um einen Toleranzausgleich zwischen den Anschluss-Pins 121 und der Statorwicklung zur Verfügung zu stellen. Zur Befestigung des elektrischen Leiterelements 119 an der Anschlussplatte 118 ist an einem Grundkörper 109 des elektrischen Leiterelements 119 eine Torsionslasche 104 in Axialrichtung 24 ausgebildet, die sich durch den Durchbruch 96 hindurch erstreckt, der in der Anschlussplatte 118 ausgebildet ist. Wie bei den bisherigen Ausführungen wird die Torsionslasche 104 nach deren Einfügen in den Durchbruch 96 mittels eines Torsionswerkzeugs 112 um die Torsionsachse 28 entlang der Einsteckrichtung 25 mittels der Torsionsbewegung 29 verdreht, wie dies im Schnitt gemäß 9 dargestellt ist. Dadurch liegen die Halteflächen 65 des Halteelements 105 axial an den schrägen Anlageflächen 98 der dem Grundkörper 109 abgewandten zweiten Seite 107 des Kunststoff-Trägerbauteils 100 an, um einen axialen Formschluss mit der Anschlussplatte 118 zu bilden. Bevorzugt werden mehrere solche elektrischen Leiterelemente 119 auf der Anschlussplatte 118 angeordnet, wobei bevorzugt mindestens drei Anschluss-Pins 121 für drei Phasen U, V, W der elektrischen Wicklung ausgebildet sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 8 wird das elektrische Leiterelement 119 in Axialrichtung 24 von oben nach unten mit der Torsionslasche 104 in den Durchbruch 96 in der Trägerplatte 118 eingefügt. Dabei presst bevorzugt ein Haltewerkzeug 110 das elektrische Leiterelement 119 axial gegen die Anschlussplatte 118, während axial von unten das Torsionswerkzeug 112 auf das Halteelement 105 aufgesetzt wird, um dieses mittels der Torsionsbewegung 29 plastisch umzuformen. Während des Verdrehens des Halteelements 105 wird der Grundkörper 109 axial gegen die Trägerplatte 118 gepresst. Mit zunehmender Drehung werden die bezüglich der Torsionsachse 28 gegenüberliegenden Haltebereiche 65 an den gegenläufigen Schrägen der schrägen Anlageflächen 98 zunehmend verkeilt. Die Kontaktbereiche 120 der Leiterelemente 119 werden beispielsweise mittels einer Schweiß- oder Lötverbindung mit Verbindungsdrähten kontaktiert, die zwischen zwei Einzelzahnspulen der elektrischen Statorwicklung ausgebildet sind.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die Hammerbürste 27 an einem separat gefertigten Bürstenträger-Bauteil 17 oder in einem im Gehäuse der elektrischen Maschine 10 integrierten Bürstenträger 17 befestigt werden. Dabei kann das Bürstenträger-Bauteil 17 separat von einem Steckermodul 16 oder einstückig mit diesem gefertigt werden. Die konkrete Form des Kontaktelements 103 mit der Kontaktlasche 108 und der Torsionslasche 104 können dabei ebenfalls an die entsprechende Anwendung angepasst werden. Die konkrete Form des Durchbruchs 96 und der schrägen Anlageflächen 98 und damit korrespondierend der Torsionswinkel 95 der Torsionslasche 104 können ebenfalls variiert werden. Anstatt der Kohlen 26, 71 können auch elektrische Schleifkörper aus anderen Materialien verwendet werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung in einer Getriebe-Antriebseinheit als Stellantrieb im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von beweglichen Teilen, wie Fensterscheiben, Sitzkomponenten, Schiebedach oder Antriebskomponenten im Motorraum, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005057395 A1 [0003]
- DE 102017223462 [0004]
