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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1, ein Verschaltungselement und ein Verfahren zur Herstellung dieses Verschaltungselements nach dem Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche.
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Für die Verschaltung von Elektromotoren sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise direkte Verschaltung der Wicklungsdrähte, ein Routing über eine Leiterplatte, an welcher die Wicklungsdrähte angeschlossen werden, oder beispielsweise eine Verschaltung über Blechteile, die am Motor befestigt sind.
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Die Erfindung betrifft insbesondere leistungsstarke Elektromotoren, die einen hohen Betriebsstrom benötigen und die beispielsweise mittels Sternschaltung verschaltet sind.
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Ein Problem bei solchen Motoren ist zum einen die mechanische und elektrische Verbindung des Verschaltungselementes mit den einzelnen Spulendrähten und zum anderen die Verschaltung zwischen den Spulen oder Spulengruppen einer Motorphase.
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Bei leistungsstarken Motoren ist hier die durch die Verschaltung vergrößerte Bauhöhe des Motors zu berücksichtigen. Die Kompaktheit bzw. Leistungsdichte des Motors soll möglichst erhalten bleiben.
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Bei einer Verschaltung mittels einer am Motor angeordneten Leiterplatte werden teure und dicke Leiterplatten mit mehreren Kupferlagen benötigt, um die benötigten hohen Ströme verlustarm transportieren zu können.
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Die
WO 2009/113520 A1 offenbart einen Motor mit einem Verschaltungselement 123 (
14), welches als mehrlagige Leiterplatte ausgebildet ist und zur Verschaltung der Motorspulen und zum Anschluss der Versorgungsleitungen dient. Nachteil ist hier die Auslegung der Leiterplatte für hohe Ströme.
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Die
US 2016/0036187 A1 offenbart Verschaltungselemente für einen Elektromotor, die aus mehreren unterschiedlichen Blechstanzteilen bestehen, welche zusammen in einer elektrisch isolierenden Vergussmasse vergossen werden. Nachteil hierbei ist die aufwendige Herstellung der unterschiedlichen Blechstanzteile.
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Die
DE 10 2019 209 733 A1 offenbart eine elektrische Antriebseinheit mit einem in das Polgehäuse eingesetzten Masse-Kontaktring, der zur Masseanbindung der Motorwicklungen an den Masseanschluss und zur Kontaktierung des Elektronikgehäuses mit dem Polgehäuse dient.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Verschaltung eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit Hilfe eines Blechteils vorzunehmen und zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verschaltungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und ein Verfahren zur Herstellung des Verschaltungselements gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der bürstenlose Gleichstrommotor weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei der Stator mehrere Motorphasen aufweist, die in einer Sternschaltung miteinander verschaltet sind und jeder Motorphase mindestens zwei Spulengruppen zugeordnet sind.
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Am Stator ist ein Verschaltungselement angeordnet, welches ein flaches Stanzteil aus elektrisch leitendem Blech aufweist.
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Das Stanzteil umfasst einen inneren ringförmigen Leiterstreifen, einen mittleren ringförmigen Leiterstreifen und einen äußeren ringförmigen Leiterstreifen, wobei die Leiterstreifen über radiale Stege miteinander verbunden sind. Das Stanzteil ist mit einer elektrisch isolierenden Masse umgeben, bevorzugterweise mittels einer Kunststoffumspritzung Nach dem Einbetten in die elektrisch isolierende Masse werden einzelne Leiterstreifen an mehreren Stellen entlang ihres Umfangs aufgetrennt, und die nicht benötigen radialen Stege zwischen den Leiterstreifen ebenfalls aufgetrennt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die elektrische Verschaltung der Spulendrähte und der Wicklungen untereinander mittels des metallischen Stanzteils, das mit einer elektrisch isolierenden Masse vergossen wird oder mit einer entsprechenden Masse umspritzt wird, um eine stabile Trägerstruktur zu bilden. Das vorzugsweise ringförmige Verschaltungselement wird am Stator des Motors befestigt.
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Nach dem Einbetten in die elektrisch isolierende Masse werden mindestens zwei Leiterstreifen an mehreren Stellen entlang ihres Umfangs aufgetrennt, und ferner werden nicht mehr benötigte Verbindungen zwischen den Leiterstreifen entfernt, um elektrische Kurzschlüsse zwischen den Phasenwicklungen zu verhindern.
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Alle wesentlichen Verschaltungsmerkmale sind in diesem Stanzteil integriert, insbesondere der gemeinsame Massenanschluss der Motorphasen (auf CT), die Verschaltung mehrerer Spulen und Spulengruppen mit weiteren Spulengruppen derselben Phase, sowie die Anschlüsse für die mehreren Phasen, vorzugsweise drei Phasen, nach außen.
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Das Stanzteil und dessen Anschlüsse sind derart gestaltet, dass alle Anschlüsse radial am Außenbereich des Verschaltungselementes angeordnet sind, sodass die vorzugsweise auch radial nach außen geführten Wickeldrahtenden des Elektromotors in einfacher Weise am Verschaltungselement kontaktiert werden können.
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Die Phasenanschlüsse der Wicklungen können unmittelbar an vorhandenen Anschlussfahnen des Stanzteils kontaktiert werden oder aber es können dafür separate Anschlussstifte oder Stecker am Stanzteil vorgesehen werden.
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Das Stanzteil und die Ummantelung mit der elektrisch isolierenden Masse bilden ein Verschaltungselement in Form einer kompakten und stabilen Einheit. Es wird keine Leiterplatte zur Kontaktierung mehr benötigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Leiterstreifen für den Anschluss der Motorphasen an einem gemeinsamen Sternpunkt vorgesehen, ein weiterer Leiterstreifen für die Verbindung der Spulen bzw. Spulengruppen derselben Phase untereinander und ein weiterer Leiterstreifen für die einzelnen Phasenanschlüsse.
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Vorzugsweise ist der radial innenliegende Leiterstreifen für die Anschlüsse des Sternpunkts vorgesehen, wobei dieser Leiterstreifen mehrere Anschlussfahnen aufweist, die nach dem Ausstanzen zunächst radial nach innen vom Leiterstreifen abstehen. Später werden diese Anschlussfahnen radial nach außen gebogen und nach außen geführt, wobei sie den mittleren und äußeren Leiterstreifen überbrücken.
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Somit kann der Anschluss der Spulen am Sternpunkt radial außen am Außenumfang des Verschaltungselements vorgenommen werden.
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Jede der Spulengruppen des Stators umfasst mehrere in Reihe geschaltete Spulen, vorzugsweise zwei oder drei Spulen.
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Wie schon erwähnt, sind alle elektrischen Anschlüsse des Verschaltungselementes an den Außenumfang des Verschaltungselements geführt, da vorzugsweise ein Stator mit dem Verschaltungselement kombiniert wird, dessen Spulenanschlüsse ebenfalls radial außen liegend angeordnet sind.
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Der mittlere Leiterstreifen ist vorzugsweise in mehrere Segmente unterteilt und weist mehrere Anschlussfahnen zum Anschluss der Spulengruppen der einzelnen Phasen auf.
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Ebenso ist der äußere Leiterstreifen vorzugsweise in mehrere Segmente unterteil und weist mehrere Anschlussfahnen zum Anschluss der Phasenanschlüsse auf.
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Das Stanzteil ist insbesondere für einen bürstenlosen Elektromotor geeignet, der drei Phasen umfasst, wobei jede Phase vorzugsweise zwei Spulengruppen bestehend aus jeweils drei hintereinander geschalteten Spulen aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verschaltungselement weist demnach ein Stanzteil auf, das einen inneren ringförmigen Leiterstreifen, einen mittleren ringförmigen Leiterstreifen und einen äußeren ringförmigen Leiterstreifen aufweist, wobei die Leiterstreifen über radiale Stege miteinander verbunden sind. Das Stanzteil ist mit einer elektrisch isolierenden Masse umgeben, beispielsweise mit Kunststoff umspritzt oder vergossen, wobei einige der radialen Stege entfernt sowie mindestens zwei Leiterstreifen an mehreren Stellen ihres Umfangs unterbrochen sind.
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Ein Verfahren zur Herstellung des Verschaltungselements umfasst folgende Schritte:
- - Bereitstellung eines Blechteils
- - Austanzen eines Stanzgitters mit einem inneren ringförmigen Leiterstreifen, einem mittleren ringförmigen Leiterstreifen und einem äußeren ringförmigen Leiterstreifen aus dem Blechteil, wobei die Leiterstreifen über radiale Stege miteinander verbunden sind.
- - Umgeben des Stanzgitters mit einer elektrisch isolierenden Masse
- - Unterbrechen mehrerer der Stege zwischen einzelnen Leiterstreifen und unterbrechen von mindestens zwei Leiterstreifen an mehreren Stellen entlang ihres Umfangs nach dem Einbetten in die elektrisch isolierende Masse.
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Der radial innenliegende Leiterstreifen weist Anschlussfahnen auf, die entweder vor dem Umspritzen mit der elektrisch leitenden Masse radial nach außen in Richtung des Außenumfangs des Stanzteils gebogen werden oder aber erst nach dem Umspritzen radial nach außen umgebogen werden, wobei die Anschlussfahnen zuvor nicht in die elektrisch isolierenden Masse eingebettet wurden.
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Die Entfernung der radialen Stege bzw. die Unterbrechung der einzelnen Leiterstreifen erfolgt durch Austanzen oder Aufbohren der Stege bzw. Leiterstreifen, sodass auch die elektrische Verbindung zwischen den Leiterstreifen und zwischen den verbleibenden Segmenten der Leiterstreifen unterbrochen ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors
- 2 zeigt eine Aufsicht auf das Stanzteil des Verschaltungselements
- 3a zeigt das Stanzteil von 2 mit umgebogenen Anschlussfahnen
- 3b zeigt eine Seitenansicht des Stanzteils von 3a
- 4 zeigt das Verschaltungselement in Form des im Kunststoff eingegossenen Stanzteils
- 5a zeigt das Verschaltungselement von 4 mit transparenter Umspritzung
- 5b zeigt eine Seitenansicht des Verschaltungselements von den 4 und 5a
- 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Verschaltungselements und schematisch die Spulenanordnung des Stators
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1 zeigt vereinfacht eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors, vorzugsweise eines Gleichstrommotors 20 mit einem elektrischen Stator 22, der einen Statorkern 24 mit mehreren Statorwicklungen 26 aufweist.
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Der Elektromotor 20 ist beispielsweise als bürstenloser Innenläufermotor ausgebildet.
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Im Innenraum des ringförmigen Stators 22 ist ein Rotor 28 angeordnet, der an seinem Außenumfang einen Rotormagneten 30 aufweist, der den Polen der Statorwicklungen 26 gegenüberliegt und von diesen durch einen Luftspalt getrennt ist. Die Statorwicklungen umfassen eine Anzahl von Statorspulen.
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Im Beispiel handelt es sich um einen dreiphasigen elektronisch kommutierten bürstenlosen Elektromotor 20, wobei die Statorwicklungen 26 mittels eines Verschaltungselement 32 elektrisch verschaltet sind.
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Das Verschaltungselement 32 weist beispielsweise mehrere Anschlussstifte 34 auf, an denen die einzelnen Phasenanschlüsse U, V, W des Elektromotors 20 nach außen geführt sind.
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Der Elektromotor 20 ist beispielsweise in einer Sternschaltung verschaltet, sodass lediglich drei Phasenanschlüsse U, V, W notwendig sind, von denen jeder Anschluss jeweils zwei Anschlussstifte 34 umfasst.
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Das Verschaltungselement 32 kann eine oder mehrere Aussparungen aufweisen, in die eine elektrische Platine 36 eingesetzt ist, die beispielsweise einen Temperaturfühler oder ähnliches umfasst.
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2 zeigt eine Aufsicht eines Stanzteils 38, welches den Kern des Verschaltungselementes 32 bildet.
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Das Stanzteil 38 ist aus einem elektrisch leitenden Blech in einem Stanzschritt ausgestanzt und etwa ringförmig geformt.
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Das Stanzteil 38 besteht aus einem inneren ringförmigen durchgehenden Leiterstreifen 40, einem im Durchmesser etwas größeren mittleren durchgehenden Leiterstreifen 42 und einem äußeren Leitstreifen 44, der aus mehreren ringsegmentförmigen Leiterstreifen besteht.
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Am durchgehenden inneren Leiterstreifen 40 sind in einem Winkel von beispielsweise 120° zueinander jeweils drei Anschlussfahnen 46 angeordnet, die radial nach innen in Richtung des Mittelpunkts des Stanzteils 38 weisen.
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Der mittlere durchgehende Leiterstreifen 42 ist über mehrere dünne radiale Stege 41 mit dem inneren Leitersteifen 40 verbunden.
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Diese radialen Stege 41 dienen lediglich zur Stabilisierung und zum Zusammenhalt der Leiterstreifen 40 des Stanzteils 38 und werden zu einem späteren Zeitpunkt des Herstellungsprozesses des Verschaltungselements entfernt, damit keine elektrische Verbindung zwischen dem inneren Leiterstreifen 40 und dem mittleren Leiterstreifen 42 besteht.
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Der mittlere Leiterstreifen umfasst drei Paare von Anschlussfahnen 48, die beispielsweise 120° zueinander versetzt paarweise nebeneinander angeordnet sind und radial nach außen weisen.
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Die Ringsegmente des äußeren Leiterstreifens 44 verlaufen jeweils zwischen den Anschlussfahnen 48 des mittleren Leiterstreifens 42 und sind an ihren Enden mit Anschlussfahnen 48 des mittleren Leiterstreifen 42 verbunden.
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An den Ringsegmenten des äußeren Leiterstreifes 44 ist jeweils eine Anschlussfahne 50 angeordnet, die ebenfalls radial nach außen gerichtet sind.
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Ferner können an den äußeren Leiterstreifen 44 eine oder mehrere Anschlussösen 52 vorgesehen sein.
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3a zeigt dasselbe Bild wie 2 mit dem Unterschied, dass die inneren Anschlussfahnen 46 radial nach außen gebogen wurden, sodass diese jetzt in Form von Anschlussfahnen 46a radial nach außen weisen.
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3b zeigt eine Seitenansicht des Stanzteils 38 mit radial nach außen umgebogenen inneren Anschlussfahnen 46a, welche den mittleren und den äußeren Leitersteifen 42 und 44 überbrücken, jedoch nicht berühren.
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4 zeigt eine Ansicht des Verschaltungselementes 32, wobei das Stanzteil 38 mit einer elektrisch isolierenden Masse 54 umspritzt ist bzw. in eine entsprechende Masse 54 eingegossen wurde.
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Die Vergussmasse 54 ist elektrisch isolierend und isoliert die einzelnen Leiterstreifen 40, 42, 44 gegeneinander und dient zur mechanischen Stabilisierung des Stanzteils 38.
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Die Umspritzung bzw. das Vergießen mit der Masse 54 erfolgt derart, dass die Leiterstreifen 40-44 vollständig in die Masse 54 eingebettet sind, jedoch die radial am Außenumfang befindlichen Anschlussfahnen 46a, 48 und 50 aus der Kunststoffmasse herausragen, sodass über die Anschlussfahnen 46a, 48 und 50 eine elektrische Kontaktierung mit den Leiterstreifen 40-44 erfolgen kann.
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Die umgebogenen inneren Anschlussfahnen 46a sind derart in die Masse 54 eingebettet, dass sie, vorzugsweise, mit der Oberfläche der Masse 54 eben abschließen. Die Anschlussfahnen 46a können auch in der elektrisch isolierenden Masse 54 eingebettet sein.
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Nach dem Einbetten und Aushärten der elektrisch isolierende Masse 54 werden die Leiterstreifen 42, 44 an bestimmten Stellen durch entsprechende Auftrennungen 56 elektrisch unterbrochen, wobei die Auftrennungen 56 beispielsweise als Ausstanzungen oder Bohrungen 58 hergestellt werden. Auch die radialen Stege 41, welche die Leiterstreifen 40, 42 miteinander verbinden, werden entfernt.
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Die 5a zeigt das Verschaltungselement 32 von 4, bei dem die elektrisch isolierende Masse 54 zur besseren Übersicht transparent dargestellt ist.
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Man erkennt, dass der innenliegende Leitersteifen 40 durchgehend erhalten bleibt und nicht unterbrochen ist, wobei die nach außen umgebogenen Anschlussfahnen 46a den gemeinsamen Anschluss für den Sternpunkt der Spulengruppen aller Motorphasen bilden.
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Der mittlere Leiterstreifen 42, der zur Verschaltung der Spulengruppen derselben Motorphase dient, besitzt jeweils eine Auftrennung 56 zwischen den paarweise nebeneinander liegenden mittleren Anschlussfahnen 48. Somit begrenzen die mittleren Anschlussfahnen 48 jeweils ein ringförmiges Segment des mittleren Leiterstreifens 42, wobei die einzelnen drei ringförmigen Segmente und die damit verbundenen endseitigen Anschlussfahnen 48 des mittleren Leiterstreifen 42 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Des Weiteren sind die radialen Stege 41, die zwischen dem inneren Leiterstreifen 40 und dem mittleren Leiterstreifen 42 vorhanden waren, durch entsprechende Auftrennungen 56 elektrisch unterbrochen, sodass der innere Leiterstreifen 40 und die ringförmigen Segmente des mittleren Leiterstreifens 42 elektrisch voneinander isoliert sind.
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Die ringförmigen Segmente des äußeren Leiterstreifens 44 sind durch eine Auftrennung 56 gegenüber den mittleren Anschlussfahnen 48 und damit auch den Segmenten des mittleren Leiterstreifens 42 elektrisch isoliert.
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5b zeigt die Seitenansicht des Verschaltungselements 32 und man erkennt die elektrisch isolierende Masse 54 und die aus der Masse 54 herausragenden Anschlussfahnen 46a, 48 und 50, sowie die Anschlussösen 52, an denen vor der Einbettung in die Masse 54 jeweils Anschlussstifte 34 angelötet oder eingepresst wurden, die zum Anschluss der Phasenanschlüsse dienen.
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Die elektrisch isolierende Masse 54 ist derart gestaltet, dass sich auf einer Seite des Verschaltungselements 32 ein Ansatz 60 ergibt, welcher das Aufstecken und Befestigen des Verschaltungselementes 32 auf dem Stator 22 ermöglicht.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Verschaltungselementes 32 und im Inneren schematisch die Statorwicklungen und deren Verschaltung mit dem Verschaltungselement 32.
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Der Stator 22 des Elektromotors 20 umfasst in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Statorwicklung bestehend aus insbesondere 18 Spulen, die in 6 mit der Nummer 1 bis 18 bezeichnet sind.
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Es handelt sich um einen 3-phasigen Elektromotor 20, d. h. es sind jeweils mehrere Spulen 1-18 der Phasenwicklung einer Phase U, V, W zugeordnet.
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Beispielsweise sind die Spulen 1, 2, und 3 gruppiert und in Reihe geschaltet und der Phase U zugeordnet sowie die Spulen 10, 11 und 12 gruppiert, in Reihe geschaltet und ebenfalls der Phase U zugeordnet.
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Die Spulen 13, 14, 15 sind gruppiert und in Reihe geschaltet und der Phase W zugeordnet wie auch die Spulen 4, 5 und 6.
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Die Spulen 7, 8 und 9 sowie 16, 17 und 18 sind jeweils gruppiert und in Reihe geschaltet und der Phase V zugeordnet.
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Entgegen der Darstellung in 6 sind die Enden der Wicklungsdrähte radial nach außen geführt und können dort mit dem ebenfalls radial nach außen geführten Anschlussfahnen 46a, 48 und 50 kontaktiert werden.
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Das Ende des Wicklungsdrahtes der Spule 1 ist an eine äußere Anschlussfahne 50U angeschlossen, die der Phase U zugeordnet ist. Die äußere Anschlussfahne 50U ist über den äußeren Leiterstreifen 44 mit den Anschlussstiften 34U verbunden und kann über diese mit Strom versorgt werden.
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Der Wicklungsdraht verläuft über die Spulen 1, 2, und 3 und endet an der Spule 3 und wird dort an einer mittleren Anschlussfahne 48U kontaktiert. Die mittlere Anschlussfahne 48U ist Teil eines segmentierten mittleren Leiterstreifens 42, an dessen Ende eine weitere mittlere Anschlussfahne 48U vorgesehen ist, an welche die zweite Spulengruppe derselben Phase U bestehend aus den Spulen 10, 11 und 12 angeschlossen ist. Das Ende des Wicklungsdrahtes der Spule 12 ist über eine innere Anschlussfahne 46aU mit dem inneren Leiterstreifen 40 verbunden, welcher den Sternpunkt bildet. Die Phase U wird über die Anschlussstifte 34U extern kontaktiert.
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Die Phasenwicklung der Phase V beginnt mit dem Anfang des Wicklungsdrahtes der Spule 7, wobei der Wicklungsdrahtanschluss mit der Phase V kontaktiert ist und zwar mit einer äußeren Anschlussfahne 50V. Der Wicklungsdraht wird über die Spulen 7, 8 und 9 geführt, wobei das Ende des Wicklungsdrahtes der Spule 9 mit einer mittleren Anschlussfahne 48V verbunden ist und über ein Ringsegment des mittleren Leiterstreifens 42 zu einer weiteren mittleren Anschlussfahne 48V geführt wird, an der der Wicklungsdraht einer zweiten Spulengruppe der Spulen 16, 17 und 18 kontaktiert ist. Die Phase V wird über die Anschlussstifte 34V extern kontaktiert.
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Das Ende des Wicklungsdrahtes der letzten Spule 18 wird über die innere Anschlussfahne 46aV mit dem Sternpunkt bestehend aus dem inneren Leiterstreifen 40 verbunden.
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Der Phasenanschluss W wird über die äußere Anschlussfahne 50W in die Spule 13 und weiter in die Spulen 14, 15 eingespeist, wobei das Ende des Wicklungsdrahtes dieser Spulengruppe mit der mittleren Anschlussfahne 48W verbunden ist.
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Über diese mittlere Anschlussfahne 48W erfolgt die Kontaktierung über ein Segment des mittleren Leiterstreifens 42 bis zur mittleren Anschlussfahne 48W, die mit der Spule 4 der Spulengruppe 4, 5, 6 verbunden ist.
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Das Ende des Wicklungsdrahts der Spule 7 ist über den Anschluss 46aW mit dem Sternpunkt und dem inneren Leiterstreifen 40 verbunden.
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Die Phase W wird über die Anschlussstifte 34W extern kontaktiert.
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Liste der Bezugszeichen
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- 1-18
- Statorspulen
- 20
- Gleichstrommotor
- 22
- Stator
- 24
- Statorkern
- 26
- Statorwicklungen
- 28
- Rotor
- 30
- Rotormagnet
- 32
- Verschaltungselement
- 34
- Anschlussstift
- 36
- Platine
- 38
- Stanzteil
- 40
- innerer Leiterstreifen
- 41
- radialer Steg
- 42
- mittlerer Leiterstreifen
- 44
- äußerer Leiterstreifen
- 46
- Anschlussfahne innen
- 46a
- Anschlussfahne innen gebogen
- 48
- Anschlussfahne mitte
- 50
- Anschlussfahnen außen
- 52
- Anschlussöse
- 54
- elektrisch isolierende Masse
- 56
- Auftrennungs-Stelle
- 58
- Bohrung
- 60
- Ansatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/113520 A1 [0007]
- US 2016/0036187 A1 [0008]
- DE 102019209733 A1 [0009]
