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Die Erfindung betrifft eine Induktivität eines elektrischen Antriebs, aufweisend eine elektrisch isolierende Kunststoffumhausung, in welche eine Spulenwicklung eingebettet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein elektrischer Antrieb mit einer solchen Induktivität. Unter „Induktivität“ wird insbesondere ein induktives Bauelement verstanden. Unter „elektrischer Antrieb“ wird insbesondere ein Elektromotor verstanden. Unter „Kunststoffumhausung“ wird inbesondere eine solche aus zwei Kunststoff-Halbschalen oder eine Kunststoffumspritzung verstanden.
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Elektromotorisch betriebene Verstellsysteme als Kraftfahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Fensterheber, Sitzverstellungen, Tür- und Schiebedachantriebe, Kühlerlüfterantriebe oder elektrisch betriebene Kältemittelverdichter weisen typischerweise einen elektrischen Antrieb mit einem gesteuerten Elektromotor auf. Zum Beispiel sind hierfür bürstenlose Elektromotoren bekannt, bei denen ein gegenüber einem Stator drehbar gelagerter Rotor durch ein magnetisches Drehfeld angetrieben wird. Hierzu werden Phasenwicklungen des Stators mit einem entsprechenden elektrischen Dreh- oder Motorstrom beaufschlagt, welcher mittels einer (Motor-)Elektronik als elektronische Baugruppe gesteuert und geregelt wird.
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Die elektronische Baugruppe oder Elektronik ist in einem Elektronikgehäuse aufgenommen und zur Reduzierung von elektrischen Störungen häufig mit einer Induktivität in Form einer (Filter-)Spule oder Drossel als induktives Bauelement gekoppelt.
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Derartige Induktivitäten weisen üblicherweise einen magnetischen (Induktivitäts-) Kern und eine diesen umgebende Wicklung eines (Spulen-) Drahts (Spulenwicklung) auf. Hierbei sind der Kern und die Spulenwicklung regelmäßig durch einen umgebenden Kunststoffkörper elektrisch isoliert.
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Die Induktivität ist im Montage- oder Einbauzustand beispielsweise mit einem elektrischen Schaltungsträger der Elektronik verbunden. Die Verbindungsstellen zwischen der Induktivität und dem elektrischen Schaltungsträger müssen hierbei zuverlässig über die Lebensdauer ausgebildet sein. Kritisch für diese Zuverlässigkeit der Verbindungsstellen sind hierbei insbesondere mechanische und oder thermo-mechanische Belastungen, wie beispielsweise mechanische Vibrationen. Um keine unzulässig hohe mechanischen Belastungen in die elektrische Verbindungsstellen einzuleiten, ist es insbesondere bei schweren elektronischen Bauteilen notwendig, dass diese mechanisch von dem Schaltungsträger entkoppelt werden.
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Induktivitäten im Bereich des Zwischenkreis elektronischer Schaltungen weisen bei höheren elektrischen Leistungen häufig ein vergleichsweise großes Baugewicht, von beispielsweise mehreren 10 g (Gramm), auf, um die elektrischen Anforderungen hinsichtlich der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) und/oder Stromtragfähigkeit zu erfüllen.
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Aufgrund des hohen Baugewichts derartiger Induktivitäten sind zur mechanischen Entkopplung gegenüber dem Schaltungsträger häufig zusätzliche Komponenten notwendig, in welchen beispielsweise auch elektrische und mechanische Verbindungsstellen integriert sind. Durch derartige zusätzliche Komponenten werden die Bauteil- und Prozesskosten bei der Herstellung des Elektromotors beziehungsweise der Elektronik nachteilig erhöht. Des Weiteren erhöhen diese Komponenten die Komplexität und Montageaufwand der Elektronik, und schränken den ohnehin begrenzten Bauraum im Elektronikgehäuse weiter nachteilig ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Induktivität für einen elektrischen Antrieb, insbesondere für einen Elektromotor, anzugeben. Insbesondere sollen zusätzliche Bauteile oder Komponenten oder Konstruktionen bei der Montage der Induktivität möglichst vermieden werden. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten elektrischen Antrieb, insbesondere Elektromotor, anzugeben.
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Hinsichtlich der Induktivität wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des elektrischen Antriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 8 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Induktivität angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf den Elektromotor übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Induktivität als induktives Bauelement (induktives Bauteil) ist für einen elektrischen Antrieb, insbesondere für einen Elektromotor, vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet. Insbesondere ist die Induktivität für einen Einbau oder eine Montage in einem Elektronikgehäuse des elektrischen Antriebs bzw. Elektromotors und für eine elektrische Verschaltung mit einem Schaltungsträger einer (Motor- oder Antriebs-) Elektronik vorgesehen sowie dafür geeignet und eingerichtet.
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Die Induktivität weist hierbei eine Kunststoffumhausung auf, in welche eine Spulenwicklung, also eine zylindrische oder spiralförmige Wicklung eines Spulendrahts eingebettet ist. Mit anderen Worten ist die Spulenwicklung von einem Kunststoffbauteil umgeben oder in dieses zumindest teilweise aufgenommen oder von diesem eingekapselt.
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Die Kunstsoffumhausung kann als Kunststoffumspritzung, also eine in einem Spritzgussprozess hergestellte Kunststoffummantelung, aus einem elektrisch isolierenden Kunststoffmaterial hergestellt sein, so dass eine vorzugsweise berührungssichere elektrische Isolierung für die Spulenwicklung gebildet ist. Die Kunststoffumspritzung ist nachfolgend auch als Kunststoffkörper, Spulenkörper oder Isolation bezeichnet.
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Alternativ kann die Induktivität in eine halboffene Kunststoffschale eingesetzt sein. Zur mechanischen Verbindung der Induktivität und des Kunststoffs bzw. der Kunststoffschale(Kunststoff-Halbschale) kann ein Kleber oder eine Vergussmasse verwendet werden. Somit ist die Induktivität fest mit der Kunststoffschale verbunden und stellt funktional einen vergleichbaren Aufbau wie eine Kunststoffumspritzung dar.
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Erfindungsgemäß weist die Kunststoffumhausung mindestens ein einstückig, also einteilig oder monolithisch angeformtes Halteelement zur mechanischen Befestigung in dem Elektronikgehäuse auf. Unter einem Halteelement ist hierbei jede Geometrie oder Kontur zu verstehen, welche für eine mittelbare oder unmittelbare Befestigung oder Halterung der Induktivität an oder im Elektronikgehäuse geeignet und ausgebildet ist. Dadurch ist eine besonders geeignete Induktivität realisiert.
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Durch die angeformten Halteelemente entfallen somit zusätzliche Bauteile und Konstruktionen zur Befestigung oder Montage der Induktivität. Insbesondere entfallen somit bauraumintensive Komponenten, welche die Induktivität aufnehmen müssten, um diese mechanisch vom Elektronikgehäuse oder dem Schaltungsträger zu entkoppeln. Somit werden die Komplexität und der Montageaufwand bei der Montage oder Verschaltung des elektrischen Antriebs bzw. Elektromotors vorteilhaft reduziert.
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Erfindungsgemäß ist die Kunstsoffumhausung mit Zusatzfunktionen zusätzlich zur elektrischen Isolierung ausgestattet. Mit anderen Worten ist eine Funktionsintegration hinsichtlich der Kunststoffumhausung vorgesehen. Dadurch wird die Funktionalität der Kunststoffumhausung vorteilhaft erweitert. Die Zusatzfunktion ist hierbei insbesondere in Form des mindestens einen Halteelements ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Funktionalität zur insbesondere schwingungs- oder vibrationsentkoppelten mechanischen Befestigung oder Halterung der Induktivität innerhalb des Elektronikgehäuses in die Kunststoffumhausung integriert ist. Dadurch wird die spätere elektrische Verbindungsstelle zwischen der Induktivität und der Elektronik im Betrieb des Elektromotors im Wesentlichen nicht mechanisch belastet, wodurch die Lebensdauer der Elektronik verbessert wird.
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Durch die Funktionsintegration der mechanischen Halterung oder Befestigung in der Kunststoffumhausung werden die Schnittstellen der Induktivität zur Elektronik reduziert und deren Flexibilität vorteilhaft erhöht.
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In einer geeigneten Ausführung ist das Kunststoffmaterial der Kunststoffumhausung hierbei hinsichtlich der zusätzlichen Zusatzfunktionen angepasst. Im Hinblick auf die mechanische Befestigung oder Halterung mittels der Halteelemente weist das Kunststoffmaterial vorzugsweise möglichst mechanisch stabile und/oder vibrations- oder schwingungsdämpfende Eigenschaften auf. Als Kunststoffmaterial wird beispielsweise PA6 (Polyamid-6), PPS (Polyphenylsulfid) oder PBT (Polybutylenterephthalat), jeweils mit oder ohne Glasfaseranteil, verwendet.
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In einer möglichen Ausbildung ist die Spulenwicklung um einen magnetischen Kern gewickelt, welcher ebenfalls in der Kunststoffumhausung eingebettet ist. Mit anderen Worten sind der Kern und die Spulenwicklung zumindest teilweise gemeinsam innerhalb der Kunststoffumhausung angeordnet. Durch den magnetischen Kern werden die Permeabilität und die magnetische Flussdichte der Induktivität verbessert. Dadurch ist es möglich, die Anzahl der Windungen der Spulenwicklung zu reduzieren, ohne den Induktivitätswert der Induktivität zu reduzieren, wodurch der Bauraumbedarf der Induktivität vorteilhaft verringert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Induktivität als induktives Bauelement insbesondere als eine Spule oder Drossel, beispielsweise als Filterspule oder Entstördrossel, ausgeführt.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das mindestens eine Haltelement als eine dem Außenumfang der Kunstsoffumhausung überstehende Lasche mit einer darin eingebrachten Durchführöffnung ausgeführt. Beispielsweise ist das Halteelement hierbei als eine Schraublasche zur Aufnahme eines Schraubenelements ausgebildet, so dass eine einfache und aufwandsreduzierte Schraubbefestigung der Kunstsoffumhausung und somit der Induktivität ermöglicht ist.
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In einer denkbaren Ausführung ist in das mindestens eine Halteelement eine Schraubbuchse zur Befestigung an dem Elektronikgehäuse eingebracht. Mit anderen Worten weist die Kunstsoffumhausung beziehungsweise das Halteelement eine Schraubbuchse zur direkten Schraubbefestigung an oder in dem Elektronikgehäuse auf. Dadurch wird eine besonders einfache und bauteilreduzierte Montage der Induktivität ermöglicht.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Kunstsoffumhausung mit mindestens einem einstückig angeformten Positionierungselement ausgeführt ist. Unter einem Positionierungselement ist hierbei insbesondere eine Positionierungshilfe zur Montage der Induktivität und/oder weiterer elektrischer Komponenten in dem Elektronikgehäuse zu verstehen. Mit anderen Worten ist eine weitere Zusatzfunktion in Form einer Positionierungs- oder Ausrichtungshilfe in die Kunstsoffumhausung oder in den Kunststoffkörper integriert. Dadurch wird die Flexibilität der Induktivität weiter verbessert und die Montage und Verschaltung der Induktivität vereinfacht.
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Das mindestens eine Positionierungselement ist beispielsweise als eine Lasche oder als ein Klip ausgebildet, in welchen zum Beispiel Anschlussdrähte geführt, und somit für eine Positionierung zu weiteren elektrischen Schnittstellen nutzbar sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind in die Kunstsoffumhausung zusätzlich zu der Spulenwicklung und dem Kern auch Leiterbahnen oder Stromschienen und/- oder elektrische Bauteile und/oder elektrische Verbindungselemente integriert. Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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In dieser Ausführung ist die Flexibilität der Induktivität durch weitere Zusatzfunktionen der Kunstsoffumhausung weiter verbessert. Durch die eingelegten oder eingespritzten Leiterbahnen übernimmt die Kunstsoffumhausung einen Teil der Verschaltung der Elektronik. Zusätzlich oder alternativ ist ein elektrisches oder mechanisches Verbindungselement, wie beispielsweise ein Steckverbinder, integriert, so dass ein Anbringen oder Anschließen der Induktivität vereinfacht wird. Des Weiteren ist es möglich, dass die Kunstsoffumhausung weitere Bauteile aufnimmt, um diese räumlich zu fixieren und/oder zu verschalten.
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In einer bevorzugten Anwendung ist die Induktivität in einem Elektronikgehäuse eines elektrischen Antriebs bzw. Elektromotors befestigt. Durch den Einsatz einer vorstehend beschriebenen Induktivität werden in dem erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb zusätzliche Freiheiten innerhalb des Elektronikgehäuses geschaffen, wodurch ein besonders geeigneter elektrischer Antriebs realisiert ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektrischen Antriebs ist die Induktivität an dem Elektronikgehäuse schraubbefestigt und mechanisch von einer mit der Induktivität elektrisch gekoppelten Leiterplatte (Schaltungsträger) entkoppelt. Mit anderen Worten wirken auf die Verbindungsstelle zwischen Induktivität und Leiterplatte keine nachteiligen mechanischen Belastungen ein. Dadurch ist eine dauerhafte und betriebssichere Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Induktivität sichergestellt.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist zwischen der Induktivität und dem Elektronikgehäuse ein Wärmeleitelement, also ein Element zur Wärmeleitung, welches sich sowohl mit dem Elektronikgehäuse als auch mit der Induktivität in einem wärmeleitfähigen Kontakt befindet, angeordnet. Durch das Wärmeleitelement wird die thermische Kopplung der Induktivität an das Elektronikgehäuse verbessert.
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Das Elektronikgehäuse ist insbesondere aus einem Metall, beispielsweise aus einem Aluminiummaterial, hergestellt, so dass das Elektronikgehäuse als eine Wärmesenke für die Induktivität wirkt. Dadurch ist eine zuverlässige Temperierung oder Kühlung der Induktivität auch bei höheren Leistungen sichergestellt. Des Weiteren ist es möglich, dass das Wärmeleitelement auch tragende Eigenschaften aufweist, und somit die Induktivität mechanisch unterstützt oder abstützt.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur in schematischer und vereinfachter Darstellung ausschnittsweise ein Elektronikgehäuse eines Elektromotors als elektrischer Antrieb mit einer daran schraubbefestigten Induktivität als induktives Bauelement (Bauteil).
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In der Figur ist ausschnittsweise ein Elektronikgehäuse 2 eines nicht näher gezeigten Elektromotors eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Elektronikgehäuse 2 weist eine Aluminiumschale 4 als untere Gehäusehälfte zur Aufnahme einer (Motor-) Elektronik 6 auf.
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Das Elektronikgehäuse 2 weist ein nicht näher gezeigten Anschlusssteckverbinder zur elektrischen Verbindung der Elektronik 6 mit einem Kraftfahrzeugbordnetz auf. Der Anschlusssteckverbinder umfasst hierbei ein Kontaktelement 8 als Anschlusskontakt, welches beispielsweise aus einem Kupfermaterial hergestellt ist.
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Die Aluminiumschale 4 weist einen Gehäusefortsatz 10 auf, auf welchem ein Schaltungsträger der Elektronik 2 in Form einer Leiterplatte oder PCBa (engl.: Printed Circuit Board Assembly) 12 abgestützt ist. Durch den Gehäusefortsatz 10 ist die Leiterplatte 12 axial beabstandet zu einem Gehäuseboden 14 gehalten.
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Zwischen dem Kontaktelement 8 und der Leiterplatte 12 ist eine Induktivität 16 in Form einer Entstördrossel verschaltet. Die Induktivität 16 weist einen magnetischen Kern 18 und eine darum gewickelte Spulenwicklung 20 auf. Der Kern 18 und die Spulenwicklung 20 sind zumindest teilweise in einer elektrisch isolierenden Kunststoffumspritzung 22 als Kunststoffumhausung eingebettet.
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Die Spulenwicklung 20 ragt abschnittsweise aus der Kunststoffumspritzung 22 in Richtung des Gehäusebodens 14 heraus. Zwischen der Induktivität 16 als induktives Bauelement und der Aluminiumschale 4 ist hierbei ein Wärmeleitelement 24 angeordnet, welches eine wärmeleittechnische Kopplung zwischen der aus der Kunststoffumspritzung 22 herausragenden Spulenwicklung 20 und dem Elektronikgehäuse 2 realisiert.
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Die Spulenwicklung 20 ist an beiden Enden mittels jeweils eines Anschlusskontakts 26 aus der Kunststoffumspritzung 22 hinaus geführt. Die Spulenwicklung 20 ist einerseits mit einem ersten Anschlusskontakt 26 mittels einer Schweißverbindung 28 an das Kontaktelement 8 kontaktiert. Andererseits ist die Spulenwicklung 20 mit dem zweiten Anschlusskontakt 26 mittels einer Schweißverbindung 30 an die Leiterplatte 12 angeschlossen. Die Schweißverbindungen 30 bilden somit die elektrischen Verbindungsstellen der Induktivität 16 im Elektronikgehäuse 2.
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Zur mechanischen Entkopplung der Induktivität 16 gegenüber der Leiterplatte 12 ist die Induktivität 16 an dem Gehäuseboden 14 befestigt. Hierzu weist die Kunststoffumspritzung 22 zweieinstückig angeformte Haltelemente 32 in Form von laschenförmigen Schraubaufnahmen auf, durch welche jeweils ein Schaft eines Schraubenelements 34 geführt ist. Die Schraubenelemente 34 sind hierbei zumindest abschnittsweise in nicht näher bezeichnete Gewindebohrungen der Aluminiumschale 4 eingedreht, so dass die Induktivität 16 sicher und vibrations- oder schwingungsfrei an dem Elektronikgehäuse 2 befestigt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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So ist es beispielsweise möglich, dass an die Kunststoffumspritzung oder an den Spulenkörper 22 zusätzlich zu den Halteelementen 32 weitere Positionierungselemente einstückig angeformt sind. Die Positionierungselement sind hierbei beispielsweise als Laschen oder als ein Klipse ausgebildet, in welchen zum Beispiel die Anschlusskontakte 26 für eine Positionierung zu den elektrischen Schnittstellen 28, 30 geführt sind.
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Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass in die Kunststoffumspritzung 14 zusätzliche Leiterbahnen und/oder elektrische Bauteile und/oder elektrische Verbindungselemente der Elektronik 6 integriert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Elektronikgehäuse
- 4
- Aluminiumschale
- 6
- Elektronik
- 8
- Kontaktelement
- 10
- Gehäusefortsatz
- 12
- Leiterplatte
- 14
- Gehäuseboden
- 16
- Induktivität/induktives Bauelement
- 18
- Kern
- 20
- Spulenwicklung
- 22
- Kunststoffumhausung/-umspritzung
- 24
- Wärmeleitelement
- 26
- Anschlusskontakt
- 28, 30
- Schweißverbindung
- 32
- Halteelement
- 34
- Schraubenelement
