WO2008086964A1 - Gleichstrommotor in kompaktbauweise - Google Patents

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coils
module
electric motor
rotor
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Thomas Schweiker
Oliver Schloesser
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Johnson Controls Gmbh
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    • H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
    • H02K5/225—Terminal boxes or connection arrangements

Definitions

  • the invention relates to a sensor-controlled, brushless DC motor, in particular for use in electrically adjustable vehicle seats.
  • This type of motor is already being used in other areas, such as industrial manufacturing technology or medical technology. It comprises a rotor having permanent magnets and a stator containing a plurality of coils producing an electromagnetic rotary field, furthermore a sensor system detecting the position or rotation of the rotor, usually based on Hall sensors, and control electronics influencing the rotating field and thus the rotor movement.
  • these functional elements are traditionally provided separately, with the exception of the rotor, as ring-like layers, which are joined together in the assembly of the motor during its production, wherein imaginary parting lines between the layers are partially broken;
  • Hall sensors designed in a construction similar to the transistor design TO 92 whose connecting wires are fastened for contacting on a common carrier ring, while the sensor heads extend into the field coil position.
  • Examples of known brushless DC electric motors are known from the publications DE 103 15 871 A1, DE 100 18 230 A1, JP 0802366 A and DE 10 2005 021 726 A1.
  • a brushless electric motor with a rotor module, with a stator module and with a plurality of coils, wherein the stator module is provided at least partially produced by means of a Ml D technology (Molded Interconnected Device), wherein the stator module fastening elements for fastening the plurality of coils on the stator module and / or wherein the plurality of coils and / or a plurality of magnetic field sensors is provided integrated by MID technology (Molded Interconnected Device) in the stator module.
  • Ml D technology Molded Interconnected Device
  • stator module When realizing the attachment of the coils to the stator module by means of fastening elements arranged on the stator module, for example latching fastening elements or clip fastening elements, assembly or assembly of the stator module with the coils can be realized, for example, by means of a simple clip assembly.
  • the stator module designed as an MID component thus forms on the outside a one-piece component of the motor housing, which in the ideal case requires only one-sided termination by the end plate. On the inside, it serves as a support structure for all electrical lines and discrete components, preferably as a holder, possibly bobbin, for the field coils.
  • the assembly of the electric motor according to the invention then takes place by inserting the rotor or the rotor module into the cup-shaped MID component; while the bottom side rotor bearing can be introduced and fitted into a corresponding recess in the cup bottom; alternatively, it was already integrated during the production of the MID component.
  • the plurality of coils and / or a plurality of magnetic field sensors is provided integrated by means of Ml D technology (molded interconnected device) in the stator module. As a result, an even simpler installation of the electric motor is possible.
  • the plurality of coils and / or the plurality of magnetic field sensors are provided integrally connected to the stator module and / or are provided connected to the stator module by extrusion coating.
  • a broad protection of these partially sensitive components can be achieved and it can also be achieved with a better connection of the stator module with, for example, the coils.
  • Another object of the present invention relates on the one hand to a method for producing an electric motor according to the invention with a rotor module, with a stator module and with a plurality of coils, wherein the coils are first connected to the stator module and then the stator module and the rotor module are connected to each other, or
  • a method for producing an electric motor with a rotor module and with a stator module wherein first the stator module is produced with integrally integrated arrangement of a plurality of coils and / or a plurality of magnetic field sensors and wherein subsequently the stator module and the rotor module are connected, in particular into one another become.
  • the electric motor according to the invention can be mounted in a particularly simple and cost-effective manner.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exploded view of an electric motor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic exploded view of an inventive electric motor 10, which has a rotor module 11 and a stator module 12.
  • the electric motor is designed as a so-called brushless electric motor 10, in particular as a brushless DC motor 10.
  • Brushless commutating motors so-called BLDC motors, have static windings or coils 13 and rotating magnets, which are provided integrated in the rotor module 11.
  • sensors 19 in particular magnetic field sensors 19, which are preferably designed as Hall sensors or Hall probes, and / or one or a plurality of particular optical position sensors, the position of the armature or the Rotor module 11 detected.
  • BLDC electric motors 10 results in the possibility of a very reliable and low-maintenance operation of the electric motor 10, wherein there is still the possibility of precise control of the movement of the electric motor 10.
  • the electronic circuit is realized on a printed circuit board, wherein the conductor tracks for contacting the coils 13 and / or the position sensors 19 and magnetic field sensors 19 must be separately connected to the circuit board during assembly.
  • all or at least the essential electrical elements or elements and components to be electrically contacted are either fixed in the stator module 12, ie in particular in one piece, integrated or very simply-for example by clipping in the coils 13 -integratable. This results in the possibility that the assembly of the electric motor is greatly simplified.
  • the stator module 12 then includes, for example, in addition to the housing base body 15 and the coil support 15 and the sensor support 16, the ring circuit board 17 and circuit board 17 and the base plate 18 of the electric motor 10.
  • the stator module 12 according to the invention in particular as a so-called MID-component. This can be different materials
  • the stator module 12 is manufactured using a M I D technology.
  • various materials can be used, which are, for example, high-temperature or structural thermoplastics, which are provided with a wide variety of surface coatings.
  • the materials for the support body are thereby selected with regard to the processing and service temperatures, a sludge protection, the mechanical and electrical properties, the spray and metallization and in terms of cost.
  • the surfaces for the Ml D technology can be provided with surfaces customary in printed circuit board technology, for example tin, lead, gold (galvanic or chemical) or nickel.
  • the support bodies which replace conventionally shaped printed circuit boards can be arbitrarily shaped by using the MID technology. Furthermore, completely new functions are possible, with a miniaturization of the modules is possible.
  • Materials used for an MID technology may include: U. Flammhemmend without additives, can be easily recycled and are therefore environmentally friendly.
  • additional components and functions can be integrated into the stator module 12, unlike conventional printed circuit boards. These are, for example, reinforcing ribs or stiffeners, cooling fins, sockets for receiving components or plugs, screwing elements, housing functions, snap connections for connection to other components, switches, shielding surfaces, sealing elements, integration of passive components and / or active components such as microcontrollers, operational amplifiers , Bearing seats u.
  • a simplified and / or improved interconnect unbundling can take place, wherein at intersections of individual railways, u. U. using a "jumper", targeted electrical connections can be avoided or can be created by electrical contacts crossing points or branch points.
  • molded interconnect devices injection molded plastic parts, which carry electrical conductors and represent depending on the contour of the support body two- or three-dimensional circuit boards.
  • electrical connections can also be led out of an existing plane at arbitrary angles, so that electrical components can be assigned to the conductor tracks in a wide variety of installation space directions.

Abstract

Es wird ein bürstenloser Elektromotor mit einem Rotormodul (11), mit einem Statormodul (12) und mit einer Mehrzahl von Spulen (13) vorgeschlagen, wobei das Statormodul zumindest teilweise mittels einer MID-Technologie (moulded interconnected device) hergestellt vorgesehen ist, wobei das Statormodul Befestigungselemente (14) zur Befestigung der Mehrzahl von Spulen an dem Statormodul aufweist.

Description

Gleichstrommotor in Kompaktbauweise
Die Erfindung betrifft einen sensorgesteuerten, bürstenlosen Gleichstrommotor, insbesondere für den Einsatz bei elektrisch verstellbaren Fahrzeugsitzen.
Dieser Motortyp kommt bereits in anderen Bereichen, wie der industriellen Fertigungstechnik oder der Medizintechnik, zum Einsatz. Er umfasst einen Permanentmagnete aufweisenden Rotor, sowie einen mehrere, ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugende Spulen enthaltenden Stator, weiterhin eine die Position oder Drehung des Rotors erfassende Sensorik, meist auf Basis von Hallsensoren, sowie eine das Drehfeld und damit die Rotorbewegung beeinflussende Steuerelektronik.
Dabei sind diese Funktionselemente mit Ausnahme des Rotors traditionell separat vorgesehen, und zwar als ringartige Lagen, die beim Zusammenbau des Motors während seiner Produktion aneinandergrenzend gefügt werden, wobei gedachte Trennebenen zwischen den Lagen teilweise durchbrochen werden; zum Beispiel durch in einer der Transistorbauform TO 92 ähnelnden Bauweise ausgebildete Hallsensoren, deren Verbindungsdrähte zur Kontaktierung auf einem gemeinsamen Trägerring befestigt sind, während die Sensorköpfe sich in die Feldspulenlage hinein erstrecken. Beispiele für bekannte bürstenlose Gleichstromelektromotoren sind aus den Druckschriften DE 103 15 871 A1 , DE 100 18 230 A1 , JP 0802366 A sowie DE 10 2005 021 726 A1 bekannt.
Diese Motorbauform mit einer Vielzahl separat zu fügender Teile ist der leichten Abänderbarkeit von Teilen für die Motorvariantenbildung geschuldet, hat aber den Nachteil, dass diverse elektrische Schnittstellen vorhanden sein müssen, was die Fehleranfälligkeit erhöht.
Da im Automobilbau insbesondere Komfort-Funktionen, wie eine elektrische Sitzverstellung, möglichst wartungsarm ausgelegt sein sollen, schlägt die Anmelderin eine geänderte Bauweise für einen gattungsgemäßen Motor vor, der zudem kompakter ausgebildet sein kann. Die Aufgabe wird gelöst durch einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Rotormodul, mit einem Statormodul und mit einer Mehrzahl von Spulen, wobei das Statormodul zumindest teilweise mittels einer Ml D-Technologie (moulded interconnected device) hergestellt vorgesehen ist, wobei das Statormodul Befestigungselemente zur Befestigung der Mehrzahl von Spulen an dem Statormodul aufweist und/oder wobei die Mehrzahl von Spulen und/oder eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren mittels MID-Technologie (moulded interconnected device) in das Statormodul integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist es in einfacher und vor allem montagetechnisch einfacher Weise möglich, dass eine Anzahl von herkömmlicherweise verwendeten Bauteilen - wie beispielsweise die Ringplatine, die Steuerelektronik, den Sensor-Träger, der Spulenträger und die dem Gehäuse zugehörige Grundplatte des Motors - zusammengefasst werden, so dass die Montagekosten und die Herstellkosten reduziert werden können. Besonders bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang, dass (im Statormodul) eine Zusammenfassung der Ringplatine mit der Steuerelektronik, dem Sensor-Träger, dem Spulenträger und der dem Gehäuse zugehörigen Grundplatte des Motors zu einem gemeinsamen MID-Bauteil erfolgt. Der Fachmann versteht unter einem MID- Bauteil (bzw. einem mittels einer MID-Technologie hergestellten Bauteil) komplexe Formteile auf Kunststoffbasis, die in ihrer Herstellungsphase mit elektrisch wirkenden Bestandteilen, wie beispielsweise Leiterbahnen, ausgerüstet wurden. Bei der Realisierung der Befestigung der Spulen am Statormodul mittels am Statormodul angeordneter Befestigungselemente, beispielsweise Rastbefestigungselemente oder Clipbefestigungselemente, kann eine Montage bzw. ein Zusammenbau des Statormoduls mit den Spulen beispielsweise über eine einfache Clipmontage realisiert werden. Das als MID-Bauteil ausgeführte Statormodul bildet somit außenseitig einen einstückig ausgeführten Bestandteil des Motorgehäuses, welcher im Idealfall nur noch eines einseitigen Abschlusses durch den Lagerschild bedarf. Innenseitig dient es als Trägerstruktur für sämtliche elektrischen Leitungen und diskreten Bauteile, vorzugsweise auch als Halter, ggf. Wickelkörper, für die Feldspulen. Der Zusammenbau des erfindungsgemäßen Elektromotors geschieht dann durch Einführen des Rotors bzw. des Rotormoduls in das becherförmige MID-Bauteil; dabei kann das becherbodenseitige Rotorlager mit eingeführt und in eine entsprechende Aussparung im Becherboden eingepasst werden; alternativ wurde es bereits während der Fertigung des MID-Bauteils mit integriert. Besonders bevorzugt ist, dass die Mehrzahl von Spulen und/oder eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren mittels Ml D-Technologie (moulded interconnected device) in das Statormodul integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist eine noch einfachere Montage des Elektromotors möglich.
Weiterhin ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Mehrzahl von Spulen und/oder die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren einstückig mit dem Statormodul verbunden vorgesehen sind und/oder mittels Umspritzung mit dem Statormodul verbunden vorgesehen sind. Hierdurch kann ein weitgehender Schutz dieser teilweise empfindlichen Bauteile erzielt werden und es kann ferner eine bessere Verbindung des Statormoduls mit beispielsweise den Spulen erzielt werden. Durch die Realisierung der Verbindung der Spulen mit dem Statormodul über eine Umspritzung (der Spulen) ist es erfindungsgemäß in besonders vorteilhafter weise möglich, dass auf Klebstoffe oder ähnliche Verbindungsstoffe zur Befestigung der Spulen am Statormodul verzichtet werden kann und somit auch die damit verbundenen Probleme hinsichtlich der Stoffverträglichkeit bzw. der Recyclingfähigkeit vermieden werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem Rotormodul, mit einem Statormodul und mit einer Mehrzahl von Spulen, wobei die Spulen zunächst mit dem Statormodul verbunden werden und anschließend das Statormodul und das Rotormodul miteinander verbunden werden, bzw. andererseits ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors mit einem Rotormodul und mit einem Statormodul, wobei zunächst das Statormodul mit einstückig integrierter Anordnung einer Mehrzahl von Spulen und/oder einer Mehrzahl von Magnetfeldsensoren hergestellt wird und wobei anschließend das Statormodul und das Rotormodul verbunden werden, insbesondere ineinandergesteckt werden. Hierdurch lässt sich der erfindungsgemäße Elektromotor besonders einfach und kostengünstig montieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors.
In Figur 1 ist schematisch in Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßer Elektromotor 10 dargestellt, der ein Rotormodul 11 und ein Statormodul 12 aufweist. Der Elektromotor ist als sogenannter bürstenloser Elektromotor 10, insbesondere als bürstenloser Gleichstrommotor 10, ausgebildet. Bürstenlos kommutierende Motoren, sogenannte BLDC-Motoren, haben statische Wicklungen oder Spulen 13 sowie sich drehende Magnete, die in des Rotormodul 11 integriert vorgesehen sind. Durch eine elektronische Schaltung und mittels einer Mehrzahl von Sensoren 19, insbesondere Magnetfeldsensoren 19, die bevorzugt als Hall-Sensoren bzw. Hall-Sonden ausgebildet sind, und/oder einem oder einer Mehrzahl von insbesondere optischen Positionssensoren, wird die Position des Ankers bzw. des Rotormoduls 11 erfasst. In Abhängigkeit von der Ankerposition wird ein Drehfeld in den Wicklungen bzw. Spulen 13 erzeugt, wodurch die Bewegung des Elektromotors über eine Wechselwirkung mit den Permanentmagneten des Rotormoduls 11 herbeigeführt wird, d.h. das Drehfeld sorgt für den Drehimpuls. Insgesamt ergibt sich durch die Verwendung von BLDC- Elektromotoren 10 die Möglichkeit eines sehr zuverlässigen und wartungsarmen Betriebs des Elektromotors 10, wobei darüber hinaus noch die Möglichkeit einer genauen Steuerung der Bewegung des Elektromotors 10 besteht.
Herkömmlicherweise ist die elektronische Schaltung auf einer Leiterplatte realisiert, wobei die Leitungsbahnen zur Kontaktierung der Spulen 13 und/oder der Positionssensoren 19 bzw. Magnetfeldsensoren 19 separat mit der Leiterplatte bei der Montage verbunden werden müssen. Erfindungsgemäß sind alle oder zumindest die wesentlichen elektrischen Elemente bzw. elektrisch zu kontaktierenden Elemente und Bauteile entweder in dem Statormodul 12 fest, d.h. insbesondere einstückig, integriert oder aber sehr einfach - beispielsweise durch Einklipsen der Spulen 13 - integrierbar. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, dass die Montage des Elektromotors stark vereinfacht wird. Das Statormodul 12 umfasst dann beispielsweise neben dem Gehäusegrundkörper 15 bzw. dem Spulenträger 15 auch den Sensorträger 16, die Ringplatine 17 bzw. Leiterplatte 17 und die Grundplatte 18 des Elektromotors 10. Hierbei wird das Statormodul 12 erfindungsgemäß insbesondere als sogenanntes MID-Bauteil ausgeführt. Hierfür können verschiedene Materialien
Erfindungsgemäß ist das Statormodul 12 unter Verwendung einer M I D-Technologie hergestellt. Für eine derartige Herstellung können verschiedene Materialien eingesetzt werden, bei denen es sich beispielsweise um Hochtemperatur- oder Konstruktionsthermoplaste handelt, die mit unterschiedlichsten Oberflächenbeschichtungen versehen werden. Die Materialien für den Tragkörper werden dabei hinsichtlich der Verarbeitungs- und Gebrauchstemperaturen, eines Schlammschutzes, den mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die Spritz- und Metallisierbarkeit sowie hinsichtlich der Kosten ausgewählt. Als Materialien für den Tragkörper finden insbesondere Polypropylen, Acrylnitryl-Butadienstyrol, Polycarbonat, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polyamid, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid und Flüssigkristallpolymer Einsatz, die auch als "commodity thermoplastics", "technical thermoplastics" oder "HT-thermoplastics" bezeichnet werden. Die Oberflächen für die Ml D-Technologie können mit in der Leiterplattentechnik üblichen Oberflächen versehen werden, beispielsweise Zinn, Blei, Gold (galvanisch oder chemisch) oder Nickel. Erfindungsgemäß können die Tragkörper, die herkömmlich geformte Leiterplatten ersetzen, beliebig geformt werden durch Einsatz der MID-Technologie. Weiterhin sind völlig neue Funktionen möglich, wobei auch eine Miniaturisierung der Module möglich ist.
Für eine MID-Technologie verwendete Werkstoffe sind u. U. ohne Zusätze flammhemmend, können leicht recycelt werden und sind damit umweltverträglich. Durch eine Verwendung einer MID-Technologie können in das Statormodul 12, abweichend zu üblichen Leiterplatten, zusätzliche Bauteile und Funktionen integriert werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Verstärkungsrippen oder Versteifungen, Kühlrippen, Buchsen zur Aufnahme von Bauelementen oder Steckern, Verschraubungselemente, Gehäusefunktionen, Schnappverbindungen zur Anbindung an weitere Bauelemente, Schalter, Abschirmflächen, Dichtelemente, Integration passiver Bauteile und/oder aktiver Bauteile wie beispielsweise Mikrocontroller, Operationsverstärker, Lagersitze u. ä. Darüber hinaus kann unter Verwendung der MID-Technologie eine vereinfachte und/oder verbesserte Leiterbahnentflechtung erfolgen, wobei an Kreuzungspunkten einzelner Leitungsbahnen, u. U. unter Einsatz eines "Jumpers", gezielt elektrische Verbindungen vermieden werden können oder aber durch elektrische Kontakte Kreuzungspunkte oder Verzweigungspunkte geschaffen werden können.
Unter der MID-Technologie ("molded interconnect devices") werden spritzgegossene Kunststoffteile verstanden, welche elektrische Leiterbahnen tragen und die je nach Kontur des Tragkörpers zwei- oder dreidimensionale Leiterplatten darstellen. Unter Verwendung der MID-Technologie können elektrische Verbindungen auch aus einer existierenden Ebene herausgeführt werden unter beliebigen Winkeln, so dass den Leiterbahnen elektrische Bauelemente in unterschiedlichste Bauraumrichtungen zugeordnet werden können.
Bezugszeichenliste
10 Elektromotor
11 Rotormodul
12 Statormodul / MID-Bauteil
13 Spule / Mehrzahl von Spulen
14 Befestigungselement
15 Gehäusegrundkörper / Spulenträger 6 Sensorträger 7 Ringplatine / Leiterplatte 8 Grundplatte des Elektromotors 9 Magnetfeldsensoren / Positionssensoren

Claims

Patentansprüche
1. Bürstenloser Elektromotor (10) mit einem Rotormodul (11 ), mit einem Statormodul (12) und mit einer Mehrzahl von Spulen (13), wobei das Statormodul (12) zumindest teilweise mittels einer MID-Technologie (moulded interconnected device) hergestellt vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Statormodul (12) Befestigungselemente (14) zur Befestigung der Mehrzahl von Spulen (13) an dem Statormodul (12) aufweist.
2. Bürstenloser Elektromotor (10) nach Anspruch 1 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Spulen (13) und/oder eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (19) mittels MID- Technologie (moulded interconnected device) in das Statormodul (12) integriert vorgesehen ist.
3. Bürstenloser Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Spulen (13) und/oder die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (19) einstückig mit dem Statormodul (12) verbunden vorgesehen sind.
4. Bürstenloser Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Spulen (13) und/oder die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (19) mittels Umspritzung mit dem Statormodul (12) verbunden vorgesehen sind.
5. Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (10) mit einem Rotormodul (11), mit einem Statormodul (12) und mit einer Mehrzahl von Spulen (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (13) zunächst mit dem Statormodul (12) verbunden werden und anschließend das Statormodul (12) und das Rotormodul (11 ) miteinander verbunden werden.
6. Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors (10) mit einem Rotormodul (11 ) und mit einem Statormodul (12), dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das Statormodul (12) mit einstückig integrierter Anordnung einer Mehrzahl von Spulen (13) und/oder einer Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (19) hergestellt wird und dass anschließend das Statormodul (12) und das Rotormodul (11 ) verbunden werden, insbesondere ineinandergesteckt werden.
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