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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere zum Verstellen
beweglicher Teile im Kraftfahrzeug, nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs
1.
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Mit
der
EP 0 474 904 B1 ist
ein Fensterheberantrieb für
ein Kraftfahrzeug mit einer Kommutator-Getriebe-Antriebseinheit
bekannt geworden, bei der auf einer radial montierbaren Leiterplatte
ein Bürstenhalterungs-Körper angeordnet
ist. Der Bürstenhalterungskörper ist
U-förmig
aus Kunststoff ausgebildet und umgreift den Kommutator in montiertem Zustand.
Der Bürstenhalterungskörper ist
mit Steckfüßen versehen,
die in korrespondierende Aufnahmen der Leiterplatte einsetzbar sind
und wird nach der Justierung der Leiterplatte mittels Schrauben,
die von Schraubenhalterungen aufgenommen werden, auf der Leiterplatte
fixiert. Der Bürstenhalterungskörper weist
als Köcher
Bürstenführungsöffnungen
auf, in denen die Kohlebürsten
verschiebbar angeordnet sind, um einen elektrischen Kontakt mit
dem Kommutator herzustellen.
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Die
Herstellung, die Justierung und Befestigung eines solchen Bürstenhalterungs-Körpers ist sehr
prozess- und damit kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil ist, dass
zusätzlich
zur mechanischen Befestigung der Kohlebürsten eine elektrische Kontaktierung
derselben hergestellt werden muss.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat den
Vorteil, dass auf einen Kohlebürstenhalterungs-Körper vollständig verzichtet werden kann.
Durch die direkte Befestigung der Kohlebürsten an Federbügeln, die
wiederum direkt an der leitfähigen
Trägerplatte
angeordnet sind, entfällt
sowohl eine mechanische Justierung, als auch eine zusätzliche
elektrische Kontaktierung der Kohlebürsten. Dadurch werden die Kohlebürsten in
einem Arbeitsgang zusammen mit der Trägerplatte vollständig montiert. Die
Federbügel
können
dabei sehr einfach in einem Arbeitsgang mit der Herstellung der
Trägerplatte, bzw.
mit deren Bestückung
mit weiteren Bauelementen auf der Trägerplatte befestigt werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Durch die Ausführung der Federbügel als
Blattfedern können
diese sehr günstig,
beispielsweise auch einstückig,
mit den elektrischen Leitungen der leitfähigen Trägerplatte hergestellt werden.
Außerdem
weisen die Blattfedern in Umfangsrichtung des Kommutators eine hohe
mechanische Stabilität
auf, wohingegen die radiale Anpresskraft bzw. der Verstellweg bei
der Montage leicht durch die Materialauswahl oder durch die Blechdicke
bestimmt werden kann.
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Von
Vorteil ist es dabei, die Kohlebürsten
direkt mit den Federbügeln
zu verbinden, was sehr günstig
mittels Schweißen,
Einklemmen, Einstecken oder Einnieten in eine Aussparung oder angeformte Ausnehmung,
beispielsweise einer Blattfeder, ausgeführt werden kann.
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Eine
solche Verbindungstechnik gewährt
zusätzlich
zur sicheren mechanischen Verbindung gleichzeitig eine zuverlässige elektrische
Verbindung der Kohlebürsten
zu den Federbügeln,
die wiederum eine einfache mechanische und elektrische Verbindung
zur elektrischen Trägerplatte
aufweisen.
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Durch
die Ausführung
der Federbügel
mittels Kupfer- oder Kupfer-Beryllium-Werkstoff weist der Federbügel eine
sehr hohe elektrische Leitfähigkeit auf
und kann beispielsweise als Bestandteil eines Stanzgitters der Trägerplatte
ausgebildet werden. In einer alternativen Ausführung ist der Federbügel aus Federstahl
gefertigt, der eine sehr hohe mechanische Stabilität aufweist
und auch für
hohe Anpresskräfte
des Köchers
an den Kommutator geeignet ist.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
weisen die Kohlebürsten
zusätzlich
zur mechanischen Verbindung mittels der Federbügel eine zusätzliche elektrische
Verbindung mit der Trägerplatte
auf. Diese Ausführung
eignet sich besonders für
den Fall, dass sehr hohe Anforderungen an eine gute elektrische
Leitfähigkeit
gestellt, bzw. hohe Stromflüsse
gefordert werden.
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Besonders
günstig
erweist sich die Montage der Kohlebürsten durch deren Befestigung
an elastischen Federbügeln,
da diese bei der Montage in einfacher Weise radial nach außen ausgelenkt
werden können
und bei Erreichen der endgültigen
Montageposition die Kohlebürsten
mit einer vorgebbaren Vorspannung gegen den Kollektor pressen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
sind die Federbügel
mittels Löten,
Einpressen oder Nieten mit der elektrisch leitfähigen Trägerplatte verbunden, wobei
zusätzlich
zur mechanischen Fixierung gleichzeitig ein zuverlässiger elektrischer
Kontakt hergestellt wird.
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Die
elektrisch leitfähige
Trägerplatte
ist vorteilhaft als Leiterplatte mit integrierten Leiterbahnen ausgebildet,
die beispielsweise die gesamte Elektronikeinheit des Elektromotors
aufnimmt. Bei einer Ausführung
des elektromotorischen Antriebs ohne Elektronik stellt beispielsweise
ein umspritztes Stanzgitter die leitfähige Trägerplatte dar, in die die Federbügel günstig integriert
werden können.
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Durch
die Bestückung
der leitfähigen
Trägerplatte
mit weiteren elektrischen Bauelementen, sowie die Ausbildung von
Verbindungselementen zu mechanischen Elementen bzw. mechanisch/elektrischen
Schnittstellen, entfällt
die Verwendung eines separaten Bürstenträgerelements
und dessen Bestückung
mit entsprechenden elektrischen und mechanischen Bauteilen. Eine
solche Integration der Kohlebürsten
in das Elektronikmodul erlaubt eine einfache Montage des Elektromotors,
wobei der Prozessschritt der Montage eines separaten Bürstenhalterelements
entfällt.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Federbügel
tangential zur Ankerwelle angeordnet sind und in radialer Richtung
federnd ausgebildet sind, da die Kohlebürsten dann einfach radial zur
Ankerwelle auf den Kommutator aufgeschoben werden können.
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Auf
Grund der radialen Montagerichtung der Kohlebürsten zusammen mit der leitfähigen Trägerplatte
ist es möglich,
den kompletten Elektromotor in einer einzigen Montagerichtung komplett
zu montieren, was den Herstellungsprozess deutlich vereinfacht.
Dabei kann beispielsweise die Ankerwelle über deren gesamte Länge zuerst
in einem Gehäuseteil angeordnet
werden und nach der Montage der Trägerplatte und weiterer Komponenten
mit einem zweiten Gehäuseteil
verschlossen werden.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 einen
Elektromotor mit komplett montierten Kohlebürsten,
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2 eine
Trägerplatte
mit integrierten Kohlebürsten
vor der Montage und
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3 eine
weitere Ausführung
einer Trägerplatte.
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Beschreibung
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In 1 ist
eine Getriebe-Antriebseinheit 11 dargestellt, bei der ein
Elektromotor 10 mit einer Ankerwelle 12 über deren
gesamten Länge
in einem ersten Gehäuseteil 14 gelagert
ist. Auf der Ankerwelle 12 ist ein erstes Getriebeelement 16 gelagert,
das mit einem zweiten Getriebeelement 18 einer separaten
Schneckenwelle 20 gekoppelt ist. Die Schneckenwelle 20 kämmt mit
einem Schneckenrad 22, das das Antriebsmoment über eine
Dämpfungsvorrichtung 24 an
ein Abtriebsritzel 26 weiterleitet, das beispielsweise
eine Fensterscheibe oder ein Schiebedach in einem Kraftfahrzeug
antreibt. Auf der Ankerwelle 12 ist ein Rotor 28 angeordnet,
der innerhalb eines gehäusefesten
Stators 30 frei drehbar ist. Der Stator 30 weist
Permanentmagnete 32 auf, die mittels eines magnetischen
Rückschlusselements 34 miteinander
verbunden sind. Zur Bestromung weist die Ankerwelle 12 einen
Kommutator 36 auf, der in Reibverbindung mit Kohlebürsten 38 steht,
die über Federbügel 40 mit
einer elektrisch leitfähigen
Trägerplatte 42 verbunden
sind. Die Trägerplatte 42 weist ein
Stanzgitter 44 auf dessen freie Enden aus der Trägerplatte 42 ragen
und die Federbügel 40,
sowie elektrische Verbindungen 46 für einen Gehäusestecker 48 und
eine elektrische, sowie mechanische Kontaktierung zu einem nicht
näher dargestellten
Abschirmblech bilden. Die Federbügel 40 sind
dabei als Blattfedern 52 aus Kupferblech, einstückig mit
dem Stanzgitter 44 hergestellt. Die Federbügel 40 erstrecken
sich von der Trägerplatte 42 im
wesentlichen tangential zum Kommutaor 36 und weisen Aufnahmen 54 auf,
in die die Kohlebürsten 38 fest
eingesteckt sind. Die Trägerplatte 42 weist
neben dem Stanzgitter 44 verschiedene elektrische Bauelemente 56 auf,
wie beispielsweise einen Mikroprozessor 58 oder einen Positionserfassungssensor 60,
der mit einem Positionsgeber 62 auf der Ankerwelle 12 zusammenwirkt.
Um den Kollektor 36 und den als Ringmagnet 64 ausgebildeten
Positionsgeber 62 sichtbar darzustellen, ist in 1 die
Trägerplatte 42 mit
einem Durchbruch dargestellt. Die elektrisch leitende Trägerplatte 42 mit
den integrierten Federbügeln 40 ist
radial zur Ankerwelle 12 in das erste Gehäuseteil 14 montiert,
nachdem die Getriebebauteile, sowie die Ankerwelle 12 und
der Stator 30 radial in das Gehäuseteil 14 montiert
wurden. Anschließend
wird als zweites Gehäuseteil
ein nicht dargestellter Deckel radial montiert, der das erste Gehäuseteil 14 abschließt.
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2 zeigt
eine weitere Ausführung
einer Trägerplatte 42,
die als Leiterplatte 66 ausgebildet ist und entsprechend
dem Aufbau der Getriebe-Antriebseinheit 11 in 1 radial
zur Ankerwelle 24 montierbar ist. Die elektrisch leitfähige Trägerplatte 42 weist
Anschlussbeinchen 68 auf, an die die als Blattfedern 52 ausgebildete
Federbügel 40 beispielsweise
mittels Löten
oder Schweißen
befestigt sind. Die Trägerplatte 42 weist
Spalte 72 auf, durch die die Federbügel 40 hindurchtreten
und sich näherungsweise
senkrecht zur Leiterplatte 66 erstrecken. Zur Aufnahme
der Kohlebürsten 38 weisen
die Federbügel 40 Aussparungen 74 auf,
in die die Kohlebürsten 38 fest
eingepresst werden. Sowohl die Verbindung zwischen den Kohlebürsten 38 und
dem Federbügel 40,
sowie die Verbindung zwischen Federbügel 40 und der Trägerplatte 42 stellen
sowohl eine mechanische Befestigung, als auch eine elektrische Kontaktierung
dar, so dass bei dieser Ausführung
auf zusätzliche
elektrische Anschlüsse
der Kohlebürsten 38 verzichtet
werden kann.
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In
einer alternativen Ausführung,
beispielsweise beim Auftreten hoher Motorströme, sind die Kohlebürsten 38 zusätzlich über eine
elektrische Verbindung 76 – beispielsweise eine Kohlelitze 76 – mit der
Trägerplatte 42 verbunden
(gestrichelt dargestellt). Die Leiterplatte 66 weist integrierte
Leiterbahnen 78 auf, die die Federbügel 40 bzw. die Kohlelitze 76 elektrisch
mit weiteren auf der Leiterplatte 66 angeordneten elektrischen
Bauelementen 56 verbinden. So ist beispielsweise zwischen
den beiden Federbügeln 40 ein
Mikroprozessor 58 mit integriertem Positionssensor 60 angeordnet,
der mit einem entsprechenden Positionsgeber 62 auf der
Ankerwelle 12 zusammenwirkt. Als weitere elektrische Bauteile 56 sind
ein Kondensator 80, ein Relais 82, sowie Dioden 84 und
Entstörbauteile 86 auf
der Leiterplatte angeordnet. Des weiteren sind Steckerpins 88 auf der
Trägerplatte 42 angeordnet,
die nach der vollständigen
Montage des Motorgehäuses 14 aus
dem Gehäuseanschlussstecker 48 ragen.
Zur elektromagnetischen Abschirmung der durch die Leiterplatte 66 gebildeten
Elektronikeinheit 70 weist die Leiterplatte 66 eine
Kontaktierstelle 50 auf, an die Abschirmbleche oder auch
ein Poltopf des Motors 10 zur elektromagnetischen Abschirmung
angeschlossen werden können.
Zur Montage der als Hammerbürsten
ausgebildeten Kohlebürsten 38 werden
diese radial zur Ankerwelle 12 auf den Kollektor 36 aufgeschoben,
wobei sich die Federbügel 40 radial
entsprechend spreizen, bis Hammerbürsten 38 in der richtigen
Position unter Vorspannung am Kollektor 36 anliegen. Als
federelastisches Material wird für
die Federbügel 40 im
Ausführungsbeispiel
Federstahl verwendet, der für
viele Anwendungen eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
aufweist, um die Kohlebürsten 38 über die
Federbügel 40 elektrisch mit
den Pins 88 des Gehäusesteckers 48 zu
verbinden.
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In 3 ist
der schematische Aufbau einer als Elektronikmodul 70 ausgebildeten
Trägerplatte 42 in
Sandwich-Technologie dargestellt. Als ein erstes unteres Substrat 71 ist
ein Stanzgitter 44 beispielsweise aus einem Kupferblech
mittels stanzen, biegen und prägen
mit unterschiedlichen Segmenten 73 geformt. Als Leistungsbauelemente 75 sind
auf dem Stanzgitter 44 Transistoren 77, beispielsweise
Power-MOSFETs 79 angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden.
Als ein zweites oberes Substrat 72 ist über den Leistungsbauelementen 75 ein
Keramiksubstrat 81 mit einer beidseitigen metallischen
Beschichtung 83, 84, die hier als Leiterbahnen 78 aus Silber
ausgebildet sind, angeordnet. Die Leistungsbauelemente 75 weisen
an ihrer unteren Oberfläche 85 und
oberen Oberfläche 86 elektrisch
leitende Kontaktflächen 87 auf
mit denen sie jeweils mit den beiden Substraten 71, 72 leitend
verbunden sind. Die Leistungsbauelemente 75 sind als sogenannten
Bare-Die-Elemente 89, ohne Kunststoffgehäuse ausgebildet,
um einen kompakten Schichtaufbau zu ermöglichen. Auf der dem Stanzgitter 44 abgewandten
Beschichtung 84 des zweiten Substrats 72 sind
weitere elektronische Bauelemente 56, wie beispielsweise ein
Mikroprozessor 58, ein Positionssensor 60 und SMD-Bauteile 59 angeordnet,
die zusammen den Logikteil 57 zur Ansteuerung des Elektromotors 10 bilden.
Das zweite Substrat 72 ist mit dem ersten Substrat 71 mittels
Löten oder
mittels eines leitfähigen Klebstoffs
verbunden, wobei in einer alternativen Ausführung am Stanzgitter 44 Halteelemente 91 angeformt
sind, mittels denen die Leistungsbauelemente 75 und/oder
das zweite Substrat 72 elektrisch kontaktiert und mechanisch
auf dem ersten Substrat 71 fixiert werden. Am Stanzgitter 44 sind
vorzugsweise einstückig
Federbügel 40 angeformt,
die die Kohlebürsten 38 aufnehmen.
Die Kohlebürsten 38 sind
dabei an die Federbügel 40 angeschweißt oder
in angeformte Ausformungen 94 der Federbügel 40 eingepresst.
Dabei stellen die Federbügel
sowohl eine elastische mechanische Halterung zum Anpressen der Kohlebürsten 38 an
den Kollektor 36, als auch gleichzeitig eine elektrische
Verbindung für
die Stromversorgung der Kohlebürsten 38 dar.
Das Elektronikmodul 70 weist zum Schutz der Substrate 71, 72 und
der Elektronikbauteile 56, sowie Leistungsbauelemente 75 einen
angespritzten Kunststoffkörper 95 auf,
aus dem die Federbügel 40 und
weitere elektrische und/oder mechanische Anschlüsse ragen.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in allen Figuren gezeigten
Ausführungsbeispiele
vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten
der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann die konkrete
Ausgestaltung des Getriebes, des Rotors 28 und des Stators 30,
der Trägerplatte 42,
sowie des Gehäuses 14 variiert
werden, solange die Trägerplatte 42 mit
den mittels den Federbügeln 40 befestigten Kohlebürsten 38 radial
montiert werden kann. Ebenso können
für die
Verbindungstechnik der einzelnen Bauelemente auch weitere Verbindungstechniken verwendet
werden, die sowohl eine mechanische, als auch eine elektrische Verbindung
herstellen. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Elektromotor 10 für die Betätigung von
Fensterhebern oder für
die Verstellung beweglicher Teile im Kraftfahrzeug verwendet, ist
jedoch nicht auf eine solche Anwendung beschränkt.