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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 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 Leistungsquellenverbindungsanschlusselements 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.
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Der Elektromotor ist vorzugsweise ein Innenläufer.
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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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Je nach Wicklungsschema kann aber auch vorgesehen sein, dass die Spulenverbindungsanschlusselemente einer der den Phasen zugehörigen Sammelschienen in Radialrichtung nach innen zeigen und jeweils ein zweites Wicklungsdrahtende der Spule im Inneren des Stators kontaktieren, so dass die Spulenverbindungsanschlusselemente dieser Sammelschiene auf der gegenüberliegenden Seite des Basisabschnitts von den Spulenverbindungsanschlusselementen der anderen zwei Sammelschienen liegen.
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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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In einer bevorzugten Ausführungsform zeigen die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene in Radialrichtung nach innen und kontaktieren jeweils ein zweites Wicklungsdrahtende der Spule im Inneren des Stators, so dass die Spulenverbindungsanschlusselemente der vierten Sammelschiene auf der gegenüberliegenden Seite des Basisabschnitts von den Spulenverbindungsanschlusselementen der anderen drei Sammelschienen liegen.
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Die Bauhöhe kann noch kompakter sein, wenn eine obere den Phasen zugehörigen Sammelschiene mit einer Oberseite oder eine untere den Phasen zugehörigen Sammelschiene mit einer Unterseite nur teilweise von einer im Spritzgussverfahren gebildeten Vergussmuss umgeben ist, so dass der Basisabschnitt auf der jeweiligen Seite freiliegt, wobei die übrigen Sammelschienen bis auf das Leistungsquellenverbindungsanschlusselement und die Spulenverbindungsanschlusselemente von der Vergussmasse umgeben sind.
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Dabei ist es bevorzugt, wenn alle den Phasen zugeordneten Sammelschienen zumindest im Bereich des Leistungsquellenverbindungsanschlusselements von der Vergussmasse umgeben sind. Ein Kontaktbereich der Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente liegt dabei frei.
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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. Drei der Sammelschienen 3,4,5 sind jeweils einer Phase U,V,W zugeordnet. Die weitere vierte Sammelschiene 6 bildet einen Neutralpunkt einer Sternschaltung. 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 zweier den Phasen zugeordneten Sammelschienen 3,4,5 und der vierten Sammelschiene 6. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 20 und den Sammelschienen 3,4,5,6 bereitgestellt werden.
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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 Ausnehmung 18 auf, die zur Führung und Fixierung eines der beiden Wicklungsdrahtenden vorgesehen ist.
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Ein erstes Wicklungsdrahtende 10 ist in die Ausnehmung 18 eingelegt bzw. eingeklipst. Das zweite Wicklungsdrahtende 11 desselben Drahtes liegt am Ende des Wickelprozesses im Inneren des Stators und das zweite Wicklungsdrahtende 11 wird im Innenflansch 14 des Isolators 12 gehalten.
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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. 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 21 der vierten Sammelschiene 6 zeigen in Radialrichtung nach innen und kontaktieren das zweite Wicklungsdrahtende 11 im Inneren des Stators.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente 21 der vierten Sammelschiene 6 zeigen somit in die andere Richtung vom Basisabschnitt als die Spulenverbindungsanschlusselemente 16 der anderen drei Sammelschienen 3,4,5. Der Abstand zwischen den Spulenverbindungsanschlusselemente 21 der vierten Sammelschiene 6 in Umfangsrichtung beträgt 30°. Die Spulenverbindungsanschlusselemente 21 der vierten Sammelschiene 6 liegen in Umfangsrichtung auf der gleichen Höhe wie die übrigen Spulenverbindungsanschlusselemente 16, so dass die Spulenverbindungsanschlusselemente 21,16 sich einander gegenüber des Basisabschnitts liegen. Die obere der den Phasen zugehörigen Sammelschienen 3 wurde im Spritzgussverfahren nicht vollständig umspritzt. Die Oberseite des Basisabschnitts liegt frei. Der Bereich des Leistungsquellenverbindungsanschlusselements 17 ist jedoch teilweise mit umspritzt. Die übrigen zwei Sammelschienen 4,5 und die vierte Sammelschiene 6 liegen hingegen mit ihren Basisabschnitten vollständig in dem im Spritzgussverfahren ausgebildeten Sammelschienenhalter 20. Durch diese Anordnung kann Bauhöhe eingespart werden. Es ist denkbar, dass auch die untere der den Phasen zugehörigen Sammelschienen nur teilweise im Spritzgussverfahren umspritzt wird und mit der Unterseite des Basisabschnitts frei liegt.
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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.
