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Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bürstenlose Elektromotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Rotor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können. Bei geringen Leistungen können die Stromschienen als Leiterbahnfolien ausgeführt werden. Bei höheren Leistungen, wie sie hier angenommen werden, werden die Wicklungsdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert.
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Es ist bekannt, die Sammelschienen in Form einer Sammelschieneneinheit auszuführen. Die Sammelschieneneinheit umfasst die Sammelschienen, die mit ihren Endabschnitten auf einer Seite mit den Wicklungsdrähten der Spulengruppen jeweils verbunden sind und auf der anderen Seite jeweils einen Leistungsquellenverbindungsanschluss zur elektrischen Anbindung an eine Steuereinheit aufweisen.
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Sammelschieneneinheiten tragen zur Bauhöhe des Elektromotors bei. Es ist daher wünschenswert die Höhe der Sammelschieneneinheit zu minimieren.
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Diese Aufgabe wird von einem bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist ein bürstenloser Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und einem dem Rotor zugeordneten Stator (vorzugsweise Innenläufer) vorgesehen, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind. Außerdem weist der Elektromotor eine Sammelschieneneinheit auf, die einen Sammelschienenhalter sowie in dem Sammelschienenhalter gehaltene Sammelschienen aufweist, wobei die Sammelschienen Spulenverbindungsanschlusselemente zur elektrischen Kontaktierung des Stators aufweisen und wobei drei Sammelschienen jeweils einer Phase zugeordnet sind und ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement zur elektrischen Kontaktierung des Stators mit einer Leistungsquelle aufweisen. Die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung über mindestens 270° und weisen jeweils in Umfangsrichtung beabstandete Kontaktpunkte auf, die jeweils mittels eines Spulenverbindungsanschlusselementes ausgebildet sind. Die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen sind mit Ausnahme des jeweiligen Leistungsquellenverbindungsanschlusselementes vollständig plan ausgebildet.
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Durch diese Anordnung kann die Sammelschieneneinheit und damit der Elektromotor besonders kompakt gehalten werden. Außerdem lassen sich die Sammelschienen einfach und in wenigen Prozessschritten herstellen, da diese eben ausgestaltet sind. Vorzugsweise sind die Sammelschienen aus einem gestanzten Metallblech, z. B. aus Kupfer, Messing oder einer anderen gut elektrisch leitfähigen Legierung gebildet, wobei die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente der drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen jeweils mittels Abkantung ausgebildet sind. Es ist vorteilhaft, wenn die drei den Phasen zugeordneten Sammelschienen jeweils einen kreisförmigen Basisabschnitt aufweisen, wobei die drei Sammelschienen der Phasen in Längsrichtung des Stators übereinander liegen und sich in Draufsicht im Bereich der Basisabschnitte überdecken. Dabei ist es für die Kontaktierung vorteilhaft, wenn die Spulenverbindungsanschlusselemente der den Phasen zugehörigen Sammelschienen in Radialrichtung zur Längsachse des Stators vom Basisabschnitt nach außen zeigen.
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Um Bauhöhe einzusparen, kann es vorgesehen sein, die Spulenverbindungsanschlusselemente einer der den Phasen zugehörigen Sammelschienen auf einem gemeinsamen Kreis liegen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kreises den die Spulenverbindungsanschlusselemente der anderen beiden Sammelschienen beschreiben.
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Vorzugsweise sind die Spulen in einer Sternschaltung miteinander verbunden und der bürstenlose Elektromotor umfasst eine vierte Sammelschiene, die einen Neutralpunkt der Sternschaltung ausbildet und die vollständig plan ausgebildet ist.
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Wenn die Spulen gleichsinnig gewickelt sind und jeweils ein Wicklungsdrahtende mit der entsprechenden Phase und das andere Wicklungsdrahtende mit dem Neutralpunkt kontaktiert wird, ist es vorteilhaft, wenn die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Spulenverbindungsanschlusselementen der den Phasen zugeordneten Sammelschienen liegen und die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene dabei auf einem gemeinsamen Kreis liegen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kreises den die Spulenverbindungsanschlusselemente der anderen Sammelschienen beschreiben. Diese Anordnung weist eine geringe Aufbauhöhe auf.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die vierte Sammelschiene oberhalb der anderen Sammelschienen in dem Sammelschienenhalter liegt und alle Sammelschienen vom im Spritzgussverfahren gebildeten Verguss umgeben sind.
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Um die Bauhöhe noch weiter zu reduzieren, ist es bevorzugt vorgesehen, die oberste und/oder unterste der Sammelschienen (egal ob eine der den Phasen zugeordneten Sammelschienen oder die vierte Sammelschiene) nicht vollständig zu umspritzen, sondern in eine Vertiefung der Umspritzung einzulegen, einzupressen oder einzuclipsen. Dadurch wird die Bauhöhe nochmals reduziert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in diesem Fall die oberste Sammelschiene den Neutralpunkt bildet (vierte Sammelschiene), da diese kein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement zur Steuerung aufweist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Spulenverbindungsanschlusselemente der den Phasen zugehörigen Sammelschienen zumindest teilweise von der Vergussmasse umgeben sind. Dadurch erhöht sich die Stabilität der Spulenverbindungsanschlusselemente, da Vergussmasse außerhalb des Basisabschnitts die Spulenverbindungsanschlusselemente umgibt.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente der Sammelschienen sind vorzugsweise u- oder v-förmig ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der bürstenlose Elektromotor 12-polig und jede der den Phasen zugehörigen Sammelschienen weist vier Kontaktpunkte auf, die in Umfangsrichtung 90° zueinander beabstandet sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine räumliche Ansicht eines Stators mit Sammelschieneneinheit und eine Draufsicht auf die Sammelschieneneinheit. Auf der Oberseite des Stators 1 ist eine Sammelschieneneinheit 2 platziert. Die Sammelschieneneinheit 2 umfasst einen Sammelschienenhalter 20 und vier in dem Sammelschienenhalter 20 gehaltene Sammelschienen 3,4,5,6. Die Sammelschienen 3,4,5,6 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter 20 besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen 3,4,5,6 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter 20 ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über einen Großteil der vier Sammelschienen 3,4,5,6. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 20 und den Sammelschienen 3,4,5,6 bereitgestellt werden. Drei der Sammelschienen 3,4,5 sind jeweils einer Phase U,V,W zugeordnet. Die weitere vierte Sammelschiene 6 bildet einen Neutralpunkt einer Sternschaltung.
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Der Stator 1 weist einen Statorkern, welcher sich koaxial zu einer Längsachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht ersichtlichen Statorkernsegmenten auf, um welche herum jeweils Spulen 7 gewickelt sind. Die Statorkernsegmente sind aufeinanderfolgend in Umfangsrichtung des Stators 1 angeordnet. Die Statorkernsegmente können wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa aus ferromagnetischem Stahl, hergestellt sein. Der Stator 1 wird fest innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses eines Elektromotors montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 7 zu erzeugen. Ein nicht dargestellter magnetisierter Rotor wird dabei in der zentralen Öffnung des Stators 8 montiert. Er ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 7 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. Die Sammelschieneneinheit 2 ist dazu eingerichtet, die Spulen 7 des Stators mittels der Sammelschienen 3,4,5,6 elektrisch zu kontaktieren. Die Spulen 7 sind in drei Phasengruppen U, V, W gruppiert.
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Alle Spulen 7 des Stators 1 sind identisch ausgebildet. Die Spulen 7 sind einzeln gewickelt und jede Spule hat einen Wicklungsdraht 9 mit zwei Wicklungsdrahtenden 10,11. Ein Statorkernsegment ist von einem Isolator 12 umgeben, der die Wicklung vom Statorkernsegment isoliert. Der Isolator 12 weist jeweils eine Wickelkammer auf, die von dem Wicklungsdraht 9 umwickelt wird. Die Wickelkammer weist einen Wickelraum auf, der in Radialrichtung zur Längsachse des Stators auf der Außenseite von einem Außenflansch 13 und auf der Innenseite von einem Innenflansch 14 begrenzt ist. Der Außenflansch 13 weist stirnseitig obenliegend auf der Innenseite eine erste und eine zweite Ausnehmung 18,19 auf, die zur Führung und Fixierung der beiden Wicklungsdrahtenden vorgesehen ist.
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Ein erstes Wicklungsdrahtende 10 ist in die erste Ausnehmung 18 eingelegt bzw. eingeklipst. Das erste Wicklungsdrahtende 10 erstreckt sich parallel zur Längsachse des Stators 100 und wird dann im Uhrzeigersinn (Blickrichtung in Radialrichtung von innen nach außen) um den Isolator 12 geführt. Gewickelt wird in Radialrichtung von außen nach innen und zurück von innen nach außen. Das zweite Wicklungsdrahtende 11 desselben Drahtes liegt am Ende des Wickelprozesses links außen des Isolators 12, wo es in die zweite Ausnehmung 19 im Außenflansch 13 des Isolators eingelegt wird. Nach der Platzierung der Sammelschieneneinheit 2 auf der Oberseite des Stators 1 wird in einem nächsten Montageschritt die Kontaktierung der Spulenverbindungsanschlusselemente 16 der drei Phasen U,V,W mit den ersten Wicklungsdrahtenden 10 bevorzugt mittels Widerstandsschweißen vorgenommen. Anschließend werden die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene 21 mit den zweiten Wicklungsdrahtenden 11 bevorzugt ebenfalls mittels Widerstandsschweißen kontaktiert.
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Jede einer Phase zugeordnete Sammelschiene 3,4,5 erstreckt sich in Umfangsrichtung über mindestens 270°. Bei dem in 1 dargestellten 12-poligen Motor weist jede der einer Phase zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 vier um in Umfangsrichtung jeweils 90° beabstandete Kontaktpunkte 15 auf, die jeweils mittels eines Spulenverbindungsanschlusselementes 16 ausgebildet sind. Die den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 sind dabei um 30° zueinander versetzt angeordnet, so dass die Kontaktpunkt der drei Sammelschienen 15 in Umfangsrichtung gleichmäßig um 30° beabstandet sind. Bei anderer Polarität des Motors ändert sich entsprechend die Anzahl der Kontaktpunkte und deren Lage. Die Sammelschienen 3,4,5 sind allesamt plan ausgebildet bis auf ein jeweiliges Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 17, welches dazu eingerichtet ist, die Sammelschiene 3,4,5 mit einer Leistungsquelle elektrisch zu verbinden. In anderen Worten eine jeweilige Sammelschiene 3,4,5 definiert eine Ebene senkrecht zur Längsachse des Stators. Das Gleiche gilt für die vierte Sammelschiene 6. Die den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 weisen jeweils einen sich entlang des Umfangs erstreckenden Basisabschnitt 30 auf, der kreisringförmig ausgebildet ist. Ausgehend von dem Basisabschnitt 30 erstrecken sich die Spulenverbindungsanschlusselemente 16 nach außen. Die Spulenverbindungsanschlusselemente der drei Sammelschienen 16 sind u- oder v-förmig ausgebildet und liegen in einer Ebene mit dem Basisabschnitt 30. Die Sammelschienen 3,4,5 sind aus einem Blech gestanzt und lediglich die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 17 werden nach dem Stanzen durch Abkanten ausgebildet. Im Bereich der Spulenverbindungsanschlusselemente 16 bedarf es keiner weiteren Bearbeitung, was einen großen Vorteil darstellt.
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Die drei Sammelschienen der Phasen 3,4,5 liegen übereinander und überdecken sich in Draufsicht im Bereich der Basisabschnitte 30. In anderen Worten weisen die Basisabschnitte 30 der drei Sammelschienen 3,4,5 den gleichen Durchmesser auf und die Basisabschnitte 30 liegen zentriert übereinander.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene 21 liegen jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Spulenverbindungsanschlusselementen 16 der den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten der vierten Sammelschiene 22 beträgt somit ebenfalls 30° in Umfangsrichtung. Die Kontaktpunkte der vierten Sammelschiene 22 liegen dabei auf einem gemeinsamen Kreis, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Kreises den die Kontaktpunkte der anderen Sammelschienen 15 beschreiben. Zudem liegt die vierte Sammelschiene 6 oberhalb der anderen Sammelschienen 3,4,5 in dem Sammelschienenhalter 2. Diese Anordnung ist besonders kompakt, da die vierte Sammelschiene 6 kein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement aufweist und vollständig plan ausgebildet ist.
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Um die Stabilität der Spulenverbindungsanschlusselemente der den Phasen zugehörigen Sammelschienen 16 zu erhöhen, erstreckt sich der umspritzte Bereich in Radialrichtung nach außen und umgibt die Spulenverbindungsanschlusselemente 16 außerhalb des Basisabschnitts. Der u- oder v-förmige Teil bleibt für die Kontaktierung frei.
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Durch das Erstrecken der Sammelschienen 3,4,5 in Umfangsrichtung über mindestens 270° und die ebene Ausbildung der Spulenverbindungsanschlusselemente 16 ist die Aufbauhöhe der Sammelschieneneinheit 2 besonders niedrig und der Motor somit kompakt gehalten.
