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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators einer Pumpe mit einer Leiterplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Pumpen weisen häufig Gleichstrommotoren auf. Die Gleichstrommotoren umfassen einen Rotor, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Ein Stator trägt auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen. 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 Stromschienen in Form von Leiterbahnfolien verwendet werden. Bei höheren Leistungen werden die Wicklungsanschlussdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert. Die Kontaktierung der Leiterplatte erfolgt dabei mittels Kontaktstecker oder durch Prozesse wie Löten oder Schweißen. Es ist allerdings auch bekannt, die Wicklungsanschlussdrähte unmittelbar mit der Leiterplatte mittels lötfreier Crimptechnik zu verbinden. Die Offenlegungsschrift
DE 10 2019 104 705 beschreibt eine solche Verbindung. Die Crimpelemente sind dabei auf der Leiterplatte gelötet. Bei der Montage werden die abisolierten Enden der Wicklungsdrähte parallel zur Oberfläche der Leiterplatte in die Crimpelemente eingebracht und diese zusammengedrückt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, einfache, stabile und thermisch effiziente Lösung für eine Verbindung zwischen einem Stator und einer Leiterplatte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird von einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators mit einer Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Demnach ist eine Pumpe aufweisend einen Elektromotor mit
- - einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist,
- - einem Stator, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind, und mit
- - einer Leiterplatte vorgesehen. Dabei ist wenigstens ein Wicklungsdrahtende zu einem elektrischen Kontakt plastisch umgeformt, der die Leiterplatte (unmittelbar) kontaktiert, wobei der Kontakt mittels eines Formgebungsverfahren in seiner Position gehalten ist.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine separate elektrische Verschaltung in Form einer Stromschieneneinheit mehr notwendig ist. Die Kontaktierung ist somit besonders einfach und platzsparend. Zudem kann über die im Formgebungsverfahren ausgebildet Formmasse effizient Wärme abgeleitet werden. Außerdem wird bei dem Umformprozess der Wicklungsdraht bevorzugt erwärmt, was mit einer Entfernung der Isolierung des Drahtes einhergeht, wodurch der Prozess des Abisolierens eingespart werden kann.
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Bei dem Formgebungsverfahren kann es sich um Spritzgießen, einem klassischen Verguss, einem Vakuum-Verguss oder aber auch um Transfermoulding handeln.
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Der elektrische Kontakt ist bevorzugt ein Steckkontakt. Bei dem Steckkontakt handelt es sich vorzugsweise um einen Pressfit-Kontakt. Es kann aber auch ein Rundstecker, Flachstecker oder eine andere Kontur verwendet werden, die in die Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung eingesteckt wird.
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Beim plastischen Umformen wird bevorzugt ein- oder mehrstufiger Press- und/oder Stanzvorgang durchgeführt. Es ist vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Wicklungsdrahtende durch mechanische Verfestigung, insbesondere tordieren oder verdrillen, und/oder durch eine Oberflächenbehandlung verfestigt ist, damit eine zuverlässige elektrische Verbindung mit der Leiterplatte herstellbar ist. Für den Fall, dass beide Verfestigungsmethoden eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, wenn die beschichten Wicklungsdrahtenden kaltumgeformt werden, um die notwendige Härte und Federsteifigkeit zu erzielen. Dabei wird vorzugsweise durch Torsion kaltverfestigt und anschließend eine Pressfit-Kontur gestanzt.
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Zur Materialanhäufung für das Ausbilden des elektrischen Kontaktes ist es vorteilhaft das Wicklungsdrahtende zurückzufalten und so den doppelten Drahtquerschnitt zur Umformung zu nutzen.
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Je nach Nutzahl und Wicklungsschema können die Wicklungsdrahtenden einer gemeinsamen Phase zugehören. Für den Fall, dass zwei Wicklungsdrahtenden einer Phase angehören, werden diese bevorzugt miteinander um eine Längsachse verdrillt und bilden einen gemeinsamen elektrischen Kontakt aus, der sich in Längsrichtung des Stators erstreckt.
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Wenn nur ein Wicklungsdrahtende pro Phase vorgesehen ist, wird dieser bevorzugt um eine Längsachse tordiert und bildet einen elektrischen Kontakt aus, der sich in Längsrichtung erstreckt.
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Eine zusätzliche Oberflächenbeschichtung der Wicklungsdrahtenden ist denkbar. Die Oberflächenbeschichtung kann zur besseren elektrischen Leitfähigkeit, Vermeidung von Reibkorrosion, und/oder Erhöhung der Steckzyklen geeignet sein. Wenn es sich bei dem elektrischen Kontakt um einen Messerkontakt handelt, kann eine Zinn- oder Silberbeschichtung für eine erhöhte Anzahl von Steckzyklen vorgesehen sein. Um Pressfit-Verbindungen zu optimieren, kann ebenfalls eine Schicht aufgebracht werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die elektrischen Kontakte aus der im Formgebungsverfahren ausgebildeten Formmasse hervorragen. Die Abdichtung im Formgebungsverfahren erfolgt bevorzugt im Werkzeug selbst oder durch Geometrien am Wicklungsdrahtende.
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Vorzugsweise umgibt die im Formgebungsverfahren ausgebildete Formmasse die Statoroberfläche vollständig bis auf die elektrischen Kontakte.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass auf der Oberseite des Stators wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende Führungsstifte im Formgebungsverfahren ausgebildet sind. Diese Führungsstifte dienen der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators. Sie können im Fertigungsprozess als Angussstelle beim Spritzgießen oder beim Vergießen als Vergussöffnungen zur Zuführung der Vergussmasse bzw. zum Entlüften des Vergussraumes dienen.
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Zudem ist ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators eines Elektromotors einer Pumpe mit einer Leiterplatte vorgesehen, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind und die Wicklungsdrahtenden sich parallel zur Längsachse des Stators erstrecken. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Plastisches Umformen wenigstens eines Wicklungsdrahtendes einer jeden Phase zu einem elektrischen Kontakt,
- b) Positionieren der elektrischen Kontakte in einem Formgebungsverfahren, wobei die im Formgebungsverfahren ausgebildete Formmasse den Stator und die Wicklungsdrahtenden zumindest teilweise umgibt,
- c) Kontaktieren der elektrischen Kontakte mit der Leiterplatte.
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Diese Verbindung ist besonders einfach herstellbar und bietet die oben genannten Vorteile.
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Der Stator und die elektrischen Kontakte sind bevorzugt, wie vorgehen beschrieben, ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte Steckkontakte, die sich in Längsrichtung erstrecken und in Schritt c) in Öffnungen der Leiterplatte eingesteckt werden.
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Vorzugsweise weist das Verfahren vor Schritt a) folgenden Schritt auf:
- - Verfestigen der Wicklungsdrahtenden durch mechanische Bearbeitung und/oder Oberflächenbehandlung.
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Vorzugsweise werden im Verfahrensschritt b) auf der Oberseite des Stators wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende Führungsstifte ausgebildet, die im Verfahrensschritt c) der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators dienen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine räumliche Ansicht eines Stators eines bürstenlosen Elektromotors einer Pumpe,
- 2: eine Detailansicht der 1 mit einem Verbindungselement zur Verbindung eines Wicklungsdrahtendes des Stators mit einer Leiterplatte,
- 3: eine räumliche Darstellung von verschiedenen Verbindungselementen, sowie
- 4: eine räumliche Ansicht eines anderen Stators eines bürstenlosen Elektromotors einer Pumpe.
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1 zeigt einen Stator 1, der Teil eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist. Der Stator 1 umgibt einen nicht dargestellten Rotor und erstreckt sich koaxial zu der Drehachse des Rotors, die im montierten Zustand der Längsachse des Stators 100 entspricht. Der Stator 1 weist nicht dargestellte Statorkernsegmente auf, um welche herum jeweils Spulen gewickelt sind. Die Wicklungen der Spulen sind bevorzugt dreiphasig gewickelt, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden 2 gebildet sind. Die Wicklungsdrahtenden 2 ragen aus einer Oberseite des Stators 1 stirnseitig hervor. In dem dargestellten Fall gehört jeweils ein Wicklungsdrahtende 2 einer Phase an. Die drei Wicklungsdrahtenden 2 sind endseitig derart umgeformt, dass sie einen Pressfit-Kontakt 3 ausbilden, der zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte vorgesehen ist. Der Pressfit-Kontakt 3 erstreckt sich in Längsrichtung.
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Der Stator 1 ist von Formmasse 4 in einem Formgebungsverfahren umgeben. Hier dargestellt ist die Ausbildung im Spritzgussverfahren. Die Formmasse bzw. Vergussmasse 4 ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere Thermoplaste und Duroplaste, beispielsweise Epoxidharz gebildet. Wie in 1 dargestellt, sind die Oberseite und die Unterseite des Stators vollflächig umspritzt. Das Halten der Wicklungen, insbesondere die Lage der Wicklungsdrahtenden 2 wird durch die Vergussmasse 4, die den Stator 1 umschließt, übernommen.
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2 zeigt im Detail einen Ausschnitt des Stators 1 der 1 mit einem Pressfit-Kontakt 3. Lediglich der Pressfit-Kontakt 3 ragt nach oben aus der Vergussmasse 4 hervor.
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Der Verguss ermöglicht eine bessere thermische Ableitung der Verlustleistung der Wicklungen, da der Kunststoff die Wärme besser als Luft leitet. Die Abdichtung des Vergussvolumens zum Pressfit-Kontakt 3 hin kann durch das Haltewerkzeug beim Verguss selber oder durch Geometrien am Wicklungsdrahtende erfolgen. Vorzugsweise ist eine Geometrie unterhalb des Pressfit-Kontakts 3 vorgesehen, die im Haltewerkzeug gut gegriffen und umschlossen werden kann, so dass der Pressfit-Kontakt 3 nicht mit umspritzt wird.
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Pressfit-Kontakte 3 benötigen für eine sichere Pressfit-Leiterplatten bzw. Steuereinheit-Verbindung eine ausreichende Federsteifigkeit.
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Zur Steigerung der Festigkeit am Wicklungsdrahtende 2 kann dieses zusätzlich behandelt werden, z. B. durch mechanische Verfestigung wie Tordieren und/oder durch eine entsprechende Oberflächenbehandlung, insbesondere durch eine Beschichtung mit Zinn. Für den Fall, dass beide Verfestigungsmethoden eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, wenn die mit Zinn beschichten Wicklungsdrahtenden kaltumgeformt werden, um die notwendige Härte und Federsteifigkeit zu erzielen. Dabei wird vorzugsweise durch Torsion kaltverfestigt und anschließend eine Pressfit-Kontur gestanzt. Der daraus resultierende Pressfit-Kontakt hat gute Rückfedereigenschaften. Durch die Temperaturen beim Umformen erfolgt die Entfernung der Isolierung des Drahtes, wodurch der Prozess des Abisolierens eingespart werden kann.
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Es ist zusätzlich denkbar, dass die Härte des Steckkontakts über die Materialwahl des Kupferdrahtes bzw. über die Wahl der dafür verwendeten Kupferlegierung beeinflusst wird. Die Konturen der Pressfit-Kontakte können dabei als Nadelöhr, wie dargestellt, oder durch beidseitige Einkerbung ausgebildet sein.
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Zur Materialanhäufung für das Ausbilden des Kontaktes ist es vorteilhaft das Wicklungsdrahtende zurückzufalten und so den doppelten Drahtquerschnitt zur Umformung zu nutzen.
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Die Positionierung der ausgebildeten Steckkontakte erfolgt in dem Formgebungswerkzeug.
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Die 3 zeigt drei Ausführungsformen eines elektrischen Kontaktes. Abhängig von der Nutzahl und dem Wickelschema des Elektromotors können auch 2 oder 3 Drähte verbunden und zu einem elektrischen Kontakt ausgeformt werden. In der 3 sind jeweils zwei Wicklungsenden 2 zu einem gemeinsamen elektrischen Kontakt durch plastische Verformung, insbesondere durch Verdrillen mit anschließendem einstufigen oder mehrstufigen Pressvorgang umgeformt.
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Die ersten beiden, linken Darstellungen zeigen einen Steckkontakt in Form eines Pressfit-Kontakts 3 in zwei unterschiedlichen Ansichten. Zwei Wicklungsdrahtenden 2 sind miteinander um eine Längsachse verdrillt. Am Ende ist der Pressfit-Kontakt 3 mit einer Nadelöhr-Kontur 5 ausgebildet, der sich in Längsrichtung erstreckt. Der Pressfit-Kontakt 3 kann in die Leiterplatte eingesteckt werden und stellt eine elektrische Verbindung mit dieser her. Es sind keine weiteren Bauteile oder ein Verlöten notwendig.
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Die beiden mittleren Darstellungen zeigen eine klassische Messerkontur 6 für Schweißkontakte auf Leiterplatten. Zwei Wicklungsdrahtenden 2 werden auch hier miteinander um eine Längsachse verdrillt und am Ende zu einer rechteckigen platten Kontaktfläche 7 umgeformt. Diese Kontaktfläche 7 lässt sich an der Leiterplatte mittels Schweißvorgang befestigen.
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Die beiden letzten, rechten Darstellungen zeigen einen Steckkontakt mit einer Steckerpin-Kontur 8. Die beiden Wicklungsdrahtenden 2 sind miteinander um eine Längsachse verdrillt und in ihrem Ende zu einem Pin umgeformt, der sich in Längsrichtung erstreckt. Der Pin kann dann beispielsweise in eine entsprechende aufgelötete bevorzugt federnde Buchse der Leiterplatte eingesteckt und kontaktiert werden oder direkt in eine durchkontaktierte Bohrung der Leiterplatte eingesteckt werden. Im Gegensatz zur Pressfit-Kontur 3 ist das Umformen der Wicklungsdrahtenden 2 vereinfacht und die Verbindung für höhere elektrische Ströme geeignet.
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4 zeigt eine andere Ausführungsform eines Stators 1, wobei gegenüber dem Stator der 1 auf der Oberseite des Stators zusätzlich zwei Führungsstifte 9 im Spritzgussverfahren ausgebildet wurden. Die Führungsstifte 9 dienen der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators. Dadurch kann die Toleranzkette für das Positionieren der Leiterplatte reduziert werden. Die Führungsstifte 9 können eine Anlageschulter als axialen Anschlag aufweisen. Die Führungsstifte 9 werden bevorzugt in einem Verfahrensschritt im Formgebungsverfahren gemeinsam mit dem Umspritzen oder Vergießen der Wicklungsdrahtenden 2 ausgebildet. Die Führungsstifte 9 können aber auch im Fertigungsprozess als Angussstelle beim Spritzgießen oder beim Vergießen als Vergussöffnungen zur Zuführung der Vergussmasse bzw. zum Entlüften des Vergussraumes dienen.
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Zur Positionierung der Leiterplatte kann als axialer Anschlag an den Kontakten auch eine Anlageschulter angeformt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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