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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorgehäusedeckelanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Pumpe und ein Verfahren zur Herstellung einer Pumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 13.
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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, die in einer Sammelschieneneinheit (engl. busbar) zusammengefasst sind, kontaktiert. Die Sammelschieneneinheit liegt oberhalb des Stators und deckt die Oberseite größtenteils ab. Die Kontaktierung der Leiterplatte erfolgt dabei mittels Kontaktstecker oder durch Prozesse wie Löten oder Schweißen. Die Leiterplatte liegt wiederum oberhalb der Sammelschieneneinheit und unterhalb eines Motorgehäusedeckels, der das Motorgehäuse abschließt. Die auf der Leiterplatte angeordnete Elektronik erwärmt sich im Betrieb. Die Wärme wird über den Motorgehäusedeckel und ein dazwischen angeordnetes Wärmeleitmaterial abgeführt. Eine auf der Leiterplatte platzierte Steuereinheit ist mittels eines Steckverbinders ansteuerbar, der auf der Oberseite des Motorgehäusedeckels geschraubt ist und elektrische Kontakte aufweist, die durch den Motorgehäusedeckel zur Leiterplatte verlaufen. Die bestückte Leiterplatte ist ebenfalls an den Motorgehäusedeckel geschraubt. Durch die Verschraubungen sind zusätzliche Bauteile und Montageschritte erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, einfache, stabile und thermisch effiziente Lösung für eine Verbindung zwischen einer Sammelschieneneinheit, einer Leiterplatte und einem Motorgehäusedeckel anzugeben.
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Diese Aufgabe wird von einer Motorgehäusedeckelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Pumpe und einem Verfahren zur Herstellung einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Demnach ist eine Motorgehäusedeckelanordnung umfassend einen Motorgehäusedeckel eines Elektromotors mit einer Oberseite und einer Unterseite und eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatte vorgesehen, wobei der Motorgehäusedeckel von elektrischen Kontakten durchsetzt ist, die jeweils mit einem ersten Endbereich mit der Leiterplatte elektrisch kontaktieren und mit einem zweiten Endbereich in einem elektrischen Steckverbinder angeordnet sind, der auf der Oberseite des Motorgehäusedeckels angeordnet ist. Der Motorgehäusedeckel, die bestückte Leiterplatte und der Steckverbinder sind zumindest teilweise von Formmasse in einem Formgebungsverfahren umgeben, wobei die Formmasse die Leiterplatte und den Steckverbinder an dem Motorgehäusedeckel befestigt. Ein Verschrauben der Bauteile ist daher nicht notwendig. Die Formmasse verbessert zudem die Wärmeableitung von der Elektronik weg. Gegenüber herkömmlichen Elektromotoren können Bauteile und Montageschritte eingespart werden.
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Bei dem Formgebungsverfahren handelt es sich bevorzugt um Transfermoulding. Die Formmasse ist vorzugsweise ein Duroplast oder ein Bulk Molding Compound (BMC).
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Es ist vorteilhaft, wenn die Formmasse den Motorgehäusedeckel auf der Ober- und Unterseite vollflächig abdeckt und ein Randbereich des Motorgehäusedeckels (zumindest an der Unterseite) frei von Formmasse ist. Dieser freie Randbereich kann zur Befestigung an einem Motorgehäuse verwendet werden.
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Vorzugsweise umschließt die Formmasse die bestückte Leiterplatte vollständig, wodurch die Wärmeleitung besonders effizient ist.
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Die Leiterplatte ist bevorzugt von Kontaktsteckern durchsetzt, die jeweils an einem Ende mit der Leiterplatte elektrisch kontaktieren und am anderen Ende einen Kontaktbereich aufweisen, der aus der Formmasse hervorragt. Der Kontaktbereich kann als Pressfit-Kontakt ausgebildet sein. Die elektrische Kontaktierung mit der Leiterplatte kann über ein SMD (oberflächenmontiertes Bauteil)- Pad (Landefläche) erfolgen.
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Es ist vorteilhaft, wenn zwischen dem Motorgehäusedeckel und der Leiterplatte Abstandshalter angeordnet sind. Diese können an dem Motorgehäusedeckel oder der Leiterplatte ausgebildet sein. Durch die Abstandshalter wird eine gleichmäßige Dicke der Formmasse zwischen den Bauteilen sichergestellt.
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Vorzugsweise sind auf der Leiterplatte Kondensatoren angeordnet, wobei zwischen der Formmasse und den Kondensatoren ein Freiraum ausgebildet ist, falls die Kondensatoren ausgasen. Der Freiraum kann durch eine Abdeckung oder die im Formgebungsverfahren verwendete Form ausgebildet werden.
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Es ist denkbar, dass die Leiterplatte einseitig oder beidseitig bestückt ist. Vorzugweise ist wenigstens ein Kondensator auf der motorgehäusedeckelnahen Seite der Leiterplatte angeordnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn dieser den Motorgehäusedeckel durchsetzt, wodurch Bauraum eingespart werden kann.
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Es können auf der Unterseite der Leiterplatte wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende Führungsstifte angeordnet sein, die bei der Montage des Elektromotors zur Positionierung und Zentrierung ausgebildet sind.
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Weiterhin 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 wenigstens einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind,
- - einer auf der Oberseite des Stators angeordnete Sammelschieneneinheit, die Sammelschienen aufweist, die mit den Spulen kontaktiert sind,
- - einer Leiterplatte, und mit
- - einem Motorgehäuse, das den Rotor, den Stator, die Sammelschieneneinheit und die Leiterplatte umgibt und das eine Montageöffnung aufweist, die von einem Motorgehäusedeckel verschlossen ist, wobei der Motorgehäusedeckel und die Leiterplatte Teil der zuvor beschriebenen Motorgehäusedeckelanordnung sind.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktbereich der Kontaktstecker einen elektrischen Kontakt zum Stator, insbesondere der Sammelschieneneinheit des Elektromotors herstellt.
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Die zuvor beschriebenen Führungsstifte, die mit der Leiterplatte verbunden sind oder auch mit der Sammelschieneneinheit verbunden sein können, greifen in das jeweils andere Bauteil zur Positionierung und Zentrierung der Bauteile.
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Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Pumpe vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- a) Positionieren der bestückten Leiterplatte auf der Unterseite des Motorgehäusedeckels,
- b) Positionieren eines Steckverbinders auf der Oberseite des Motorgehäusedeckels wobei der Steckverbinder elektrische Kontakte umgibt, die den Motorgehäusedeckel durchsetzen und mit einem Endbereich die Leiterplatte elektrisch kontaktieren,
- c) Platzieren einer Form um die Anordnung aus Leiterplatte, Steckverbinder und Motorgehäusedeckel und
- d) Einbringen (insbesondere Pressspritzen) von Formmasse in die Form, so dass der Motorgehäusedeckel, die bestückte Leiterplatte und der Steckverbinder zumindest teilweise von der Formmasse umgeben sind, wobei die Formmasse die Leiterplatte und den Steckverbinder an dem Motorgehäusedeckel befestigt.
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Bei dem Verfahren ergeben sich die oben genannten Vorteile. Bei dem Formgebungsverfahren kann es sich um Spritzgießen, einem klassischen Verguss, einem Vakuum-Verguss oder aber auch um Transfermoulding (Presspritzen) handeln.
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Bevorzugt werden in einem Verfahrensschritt vor Schritt a) Kontaktstecker von oben nach unten durch die Leiterplatte gesteckt, wobei die Kontaktstecker an ihrem einen Ende, welches sich auf der Oberseite befindet, ein SMD-Pad und an ihrem anderen Ende, welches sich unterhalb der Leiterplatte befindet, einen Kontaktbereich aufweisen, wobei der Kontaktbereich in Schritt d) nicht von der Formmasse umgeben wird. Wie bereits beschrieben kann der Kontaktbereich als Pressfit-Kontakt ausgebildet sein.
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Vorzugsweise wird die in Schritt d) hergestellte Motorgehäusedeckelanordnung mit einer Statoranordnung aus Stator und Sammelschieneneinheit kontaktiert, wobei auf der Unterseite der Motorgehäusedeckelanordnung oder auf der Oberseite der Statoranordnung Führungsstifte und an dem jeweils anderen Bauteil Bohrungen zur Aufnahme der Führungsstifte angeordnet sind, und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Aufeinander Zustellen der Motorgehäusedeckelanordnung und der Statoranordnung,
- - Eingreifen der Führungsstifte in die Bohrungen, und
- - Kontaktieren der Kontaktbereiche der Kontaktstecker mit der Sammelschieneneinheit.
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Die Führungsstifte nehmen somit eine Zentrierung und Positionierung der Bauteile vor, um die Lage der Bauteile zueinander zu bestimmen sowie die Kontaktierung der Kontaktstecker zur Stromschieneneinheit auch bei einer Blindmontage zu gewährleisten.
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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 einer Motorgehäusedeckelanordnung mit Steckverbinder, Motorgehäusedeckel und Leiterplatte,
- 2: einen Längsschnitt durch die Anordnung der 1 mit Motorgehäusewand,
- 3: eine Detailansicht eines die Leiterplatte durchsetzenden Kontaktsteckers,
- 4: einen Längsschnitt durch eine weitere Motorgehäusedeckelanordnung,
- 5: eine Detailansicht einer auf dem Motorgehäusedeckel angeordneten Leiterplatte,
- 6: eine räumliche Darstellung einer Montage einer Statoranordnung auf der Motorgehäusedeckelanordnung der 1,
- 7: eine Draufsicht auf einen Motorgehäusedeckel einer Motorgehäusedeckelanordnung,
- 8: eine räumliche Darstellung einer Montage einer Statoranordnung auf der Motorgehäusedeckelanordnung einer zweiten Ausführungsform, sowie
- 9: eine räumliche Darstellung einer Montage einer Statoranordnung auf der Motorgehäusedeckelanordnung einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt einen Motorgehäusedeckel 1 einer elektrischen Pumpe, insbesondere einer Kühlmittelpumpe, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Solche elektrischen Pumpen weisen einen Elektromotor auf, der in einem Motorgehäuse sitzt und ein Flügelrad antreibt. Das Motorgehäuse weist auf der dem Flügelrad gegenüberliegenden Seite eine Montageöffnung auf, die von dem Motorgehäusedeckel verschlossen wird. Der Motorgehäusedeckel 1 ist von elektrischen Kontakten durchsetzt, die in einem elektrischen Steckverbinder 2 angeordnet sind, der auf der Oberseite des Motorgehäusedeckels 3 mit diesem verbunden ist. Der Steckverbinder 2 kann mit einem Stecker zur Ansteuerung des Elektromotors kontaktiert werden. Auf der steckverbinderfernen Seite, der Unterseite des Motorgehäusedeckels 4 ist eine Leiterplatte 5 angeordnet, die mit Bauelementen einer Steuereinheit 6 bestückt ist. Die Leiterplatte 5 ist von Kontaktsteckern 7 durchsetzt, die im dargestellten Beispiel jeweils einen Pressfit-Kontakt 8 auf der Unterseite ausbilden und einen elektrischen Kontakt zum Stator des Elektromotors herstellen können.
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Der Motorgehäusedeckel 1, sowie die bestückte Leiterplatte 5 und der Steckverbinder 2 sind von Formmasse 9 in einem Formgebungsverfahren umgeben. In dem Formgebungsverfahren wird eine Motorgehäusedeckelanordnung ausgebildet. Bei dem Formgebungsverfahren handelt es sich bevorzugt um Transfermoulding, auch Pressspritzen genannt. Dazu wird eine Form um die Bauteile angeordnet und mittels Transfermoulding die Formmasse eingebracht. Da beim Transfermoulding niedrige Temperaturen und niedrige Drücke eingesetzt werden, nimmt die Steuereinheit keinen Schaden. Bei der Formmasse 9 handelt es sich bevorzugt um ein Duroplast oder ein Bulk Molding Compound.
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Die Formmasse 9 umgibt den Motorgehäusedeckel 1 vollflächig auf der Ober- und Unterseite 3,4. Ein Randbereich des plattenförmigen Motorgehäusedeckels 10 ist frei von Formmasse, um eine Befestigung am Motorgehäuse zu ermöglichen. Die Verbindung zwischen Motorgehäusedeckel 1 und dem nicht dargestellten Motorgehäuse erfolgt bevorzugt stoffschlüssig, ohne Dichtung und Verschraubung. Zur Verbindung kann Reibrührschweißen, bevorzugt in axialer Richtung, Bördeln oder Laserschweißen eingesetzt werden. Für den Fall, dass eine andere Fläche als der Randbereich für die Verbindung genutzt wird, ist diese Fläche frei von Formmasse gehalten. Die Formmasse 9 umschließt die Leiterplatte 5 vollständig und somit auch alle Bauteile der Steuereinheit 6. Lediglich die Pressfit-Kontakte der Kontaktstecker 8 ragen aus der Formmasse 9 heraus. Die Abdichtung im Formgebungsverfahren erfolgt bevorzugt im Werkzeug selbst und/oder durch Geometrien am Kontaktstecker 7 und/oder dem Steckverbinder 2.
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Der Steckverbinder 2 ist lediglich in einem Sockelbereich 11 von der Formmasse 9 umgeben, wodurch der Steckverbinder 2 fest mit dem Motorgehäusedeckel 1 verbunden ist. Auf ein zusätzliches Verschrauben oder Verkleben kann somit verzichtet werden.
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2 zeigt im Detail die von der Formmasse 9 umgebenden Komponenten. Im montierten Zustand des Motorgehäusedeckels 1 auf einer Stirnseite des Motorgehäuses 12 ragt die Formmasse 9 in das Motorgehäuse 13 und kann mit diesem auf der Innenseite abschließen, wie dargestellt. Es ist aber auch denkbar, dass zwischen der Formmasse 9 und der Gehäusewand des Motorgehäuses 13 ein Spalt ausgebildet ist.
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Auf der Leiterplatte 5 sind Kondensatoren 14 angeordnet, die vor dem Formgebungsverfahren mit einer Schutzkappe abgedeckt werden oder die Form im Formgebungsverfahren wird so angepasst, dass die Formmasse zwar die Kondensatoren 14 umschließt, zu dieser aber mit einem Spalt bzw. Raum beabstandet ist, der ein Ausgasen der Bauteile 14 möglich macht.
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Die Formmasse 9 leitet effizient die durch die Steuereinheit entstehende Wärme über den Motorgehäusedeckel 1 nach außen ab. Der aus Metall gebildete Motorgehäusedeckel 1 dient als Wärmesenke. Zudem fixiert die Formmasse 9 sowohl die bestückte Leiterplatte 5 als auch den Steckverbinder 2 an dem Motorgehäusedeckel 1.
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Die Kontaktstecker 7 werden bei der Montage beim Bestücken der Leiterplatte 5 gesteckt. Sie weisen auf der einen Seite den Pressfit-Kontakt 8 auf und auf der anderen Seite ein SMD-Pad 15, das aus nur einer Lötfläche besteht und eine elektrische und mechanisch Verbindung zwischen der Oberseite der Leiterplatte 5 und dem Kontaktstecker 7 herstellt (siehe auch 3).
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Mit Hilfe des SMD-Pads 15 kann die Zentrierung durch den zylindrischen Bohrungsdurchmesser und Fixierung an der Leiterplatte 5 mittels Löten realisiert werden. Die SMD-Pads 15 sind ebenfalls von der Formmasse 9 umschlossen, wodurch die Gefahr einer Verformung während der Kontaktierung zum Stator, insbesondere zu der Stromschieneneinheit geringgehalten werden kann. Durch das Umgeben der Leiterplatte mit Formmasse stützt sich das SMD-Pad 15 auch gegen die Formmasse ab, so dass die Steckkräfte nicht die Lötstelle belasten.
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Anstelle eines Pressfit-Kontaktes 8 ist es auch denkbar eine Crimphülse für eine Crimpverbindung, einen Schneidklemmkontakt, einen Steckkontakt oder Schweißkontakte an dem Kontaktstecker 7 zur Verbindung mit dem Stator, insbesondere der Stromschieneneinheit auszubilden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, in der zusätzlich ein Kondensator 14 auf der Oberseite der Leiterplatte 5 angeordnet ist, der den Motorgehäusedeckel 1 durchsetzt. Wie im vorherigen Beispiel ist auch hier, bei einer beidseitig bestückten Leiterplatte 5 sichergestellt, dass die elektronischen Bauteile vollständig von der Formmasse 9 umgeben sind. Auch bei dem oberhalb der Leiterplatte angeordneten Kondensator 14 ist ein Freiraum zur Formmasse 9 hin ausgebildet, so dass der Kondensator 14 ausgasen kann.
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5 zeigt im Detail die Anordnung der Leiterplatte 5 unterhalb des Motorgehäusedeckels 1. Um einen Abstand zwischen Motorgehäusedeckel 1 und Leiterplatte 5 zu gewährleisten, sind in der dargestellten Ausführungsform an der Oberseite der Leiterplatte 5 Abstandshalter 16 aus Kunststoff angebracht oder ausgeformt. Es ist auch denkbar die Abstandshalter 16 an der Unterseite des Motorgehäusedeckels 4 auszuformen oder anzubringen. Durch die Abstandshalter 16 kann die nicht dargestellte Formmasse die Oberseite der Leiterplatte und die Unterseite des Motorgehäusedeckels umschließen, so dass es keine formmassenfreien Bereiche gibt und die Wärmeableitung besonders optimal ist, da keine Luft zwischen den Bauteilen eingeschlossen und die Formmasse gleichmäßig zwischen den Bauteilen verteilt ist.
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Die 6, 8 und 9 zeigen drei verschiedene Ausführungsbeispiele mit Führungsstiften 17, die der Zentrierung und Positionierung der Motorgehäusedeckelanordnung 18 auf der Oberseite der Statoranordnung 19 dienen, wobei die Statoranordnung 19 aus dem Stator 20 und der stirnseitig angeordneten Stromschieneneinheit besteht. Die Führungsstifte 17 sind an einem der beiden Bauteile angeordnet und greifen jeweils in das andere Bauteil ein, um die Lage der Bauteile zueinander zu bestimmen sowie die Kontaktierung der Kontaktstecker 7 zur Stromschieneneinheit bei einer Blindmontage zu gewährleisten.
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In 6 sind die Führungsstifte 17 an der Stromschieneneinheit ausgebildet. Sie stehen senkrecht auf einer Oberseite der Stromschieneneinheit und greifen in Bohrungen der Motorgehäusedeckelanordnung 21 von der Unterseite her ein. Die Bohrungen 21 gehen bevorzugt nicht vollständig durch die Motorgehäusedeckelanordnung 21 (Sacklochbohrung), so dass der vom Motorgehäuse umschlossene Motorraum abgedichtet ist. Der Bereich der Bohrung im Motorgehäusedeckel 1 und der Leiterplatte 5 wird im Formgebungsverfahren von der Formmasse 9 geschlossen. Auf der Oberseite, wie aus 7 ersichtlich, ist die verschlossene Bohrung in der Formmasse 9 zu sehen.
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In der Variante der 8 sind die Führungsstifte 17 auf der Unterseite des Motorgehäusedeckels 4 ausgebildet und stehen senkrecht auf der Unterseite 4. Sie durchsetzen die Leiterplatte 5 und ragen auf der Unterseite über die Formmasse 9 hervor. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Führungsstifte 17 nur die Leiterplatte 5 durchsetzen oder dass die Führungsstifte 17 im Formgebungsverfahren an der Unterseite des Motorgehäusedeckels 4 angeformt sind. Die Führungsstifte 17 überragen die Kontaktstecker 7, so dass sie bei der Montage als erstes in die Stromschieneneinheit der Statoranordnung eintauchen und eine Vorzentrierung vornehmen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Führungsstifte 17 eine geringere Höhe als die Kontaktstecker 7 aufweisen. In diesem Fall muss die für die Führungsstifte 17 an der Stromschieneneinheit vorgesehene Gegenform vorragen, so dass sichergestellt wird, dass die Führungsstifte 17 als erstes in die Gegenform eintauchen, bevor die Kontaktstecker 7 kontaktiert werden. Im Formgebungsverfahren werden die Bohrungen der Leiterplatte, durch die die Führungsstifte 17 ragen, abgedichtet, sofern die Führungsstifte 17 nicht selbst im Formgebungsverfahren ausgebildet werden. Die Führungsstifte 17 greifen in korrespondierende Bohrungen 22 auf der Oberseite der Stromschieneneinheit ein.
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Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Steckverbinder 2 auf der Unterseite einen Führungsstift 23 aufweist, der den Motorgehäusedeckel 1 und die Leiterplatte 5 durchsetzt und aus der Formmasse 9 auf der Unterseite hervorragt, wie in 9 dargestellt. Dieser zusätzliche Führungsstift 23 greift ebenfalls in die Statoranordnung 19 zur Positionierung der Motorgehäusedeckelanordnung 18 auf der Stromschieneneinheit ein.
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Durch die Führungsstifte 17 kann ganz allgemein die Toleranzkette für das Positionieren der Motorgehäusedeckelanordnung 18 auf der Statoranordnung 19 reduziert werden. Die Führungsstifte 17 können eine Anlageschulter als axialen Anschlag aufweisen.
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Zur Positionierung kann als axialer Anschlag zusätzlich an den Kontaktsteckern 7 eine Anlageschulter angeformt sein oder eine den Kontaktstecker 7 umgebende Hülse als Anlageschulter vorgesehen sein.
