WO2014198271A1 - Aktuator mit leistungselektronik - Google Patents

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WO2014198271A1
WO2014198271A1 PCT/DE2014/200250 DE2014200250W WO2014198271A1 WO 2014198271 A1 WO2014198271 A1 WO 2014198271A1 DE 2014200250 W DE2014200250 W DE 2014200250W WO 2014198271 A1 WO2014198271 A1 WO 2014198271A1
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actuator
stator
winding
circuit board
winding wire
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PCT/DE2014/200250
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Inventor
Markus Dietrich
Julian Botiov
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Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • 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 an actuator, in particular Hydrostataktor, for a motor vehicle having a rotor and a stator with at least one winding and a power supply of the at least one winding controlling board power electronics with at least one zugentlasteten connection of the at least one winding of the stator to the board.
  • Actuators are used in motor vehicles to relieve the driver by taking over automated or power-assisted functions. Depending on the location of such an actuator, it is exposed to extreme temperature influences.
  • the hydrostatic actuator disclosed in WO 201/127888 A2 serves for the automated actuation of a friction clutch in that a piston of a master cylinder is axially displaced by an electric motor with the interposition of a transmission.
  • the text and its figures contained in this disclosure are incorporated in their entirety into this disclosure, at least in such a way that features disclosed therein can be used to form a combination of features to be claimed.
  • Such a Hydrostataktor is usually housed in the engine compartment, so that differences in the operating temperature may be partially greater than 150 ° C.
  • thermal stresses occur in particular in such hydrostatic actuators, in particular between the stator and the power electronics that supply them with electrical energy.
  • thermal stresses caused by the tensile stresses of the terminals of the stator to the power electronics punched grid between the stator and the power electronics are used, for example.
  • lead frames require space and are correspondingly expensive as additional components.
  • the object of the invention is therefore to propose an actuator that allows a simplified design of a strain relief between the stator and power electronics.
  • the proposed actuator, in particular Hydrostataktor, for a motor vehicle includes an electric motor with a rotor, for example, with the interposition of a transmission such as a Planetenxxlzgetriebes a piston of a master cylinder linearly driving rotor and a housing fixedly arranged stator with at least one, preferably three-phase winding and an energization of at least one Winding controlling board of a power electronics with at least one zugentlasteten connection of the at least one winding of the stator to the board.
  • the connection of the at least one winding directly by at least one, preferably both winding wires of the winding (s) is connected directly to the circuit board.
  • a zugentlastender provided between the receptacles elastically formed portion of the at least one winding wire.
  • an elastic spring force of the section is designed such that it is smaller than a maximum tensile load occurring between the receptacles over a predetermined operating temperature range.
  • the section may have at least one bend.
  • the receptacles can receive the at least one winding wire in substantially the same direction, wherein the section has a substantially horizontal region formed substantially perpendicular thereto, for example when the winding wire is formed vertically on the receptacles.
  • a maximum bending amplitude of the section may be designed as a function of a fatigue limit of the material used in the at least one winding wire, for example copper or its alloys corresponding to the Wöhler characteristic. This means that a voltage excursion of the section is provided as a function of the maximum number of required load changes determined, for example, from empirical data, at which no breakage of the winding wire is still taking place.
  • the at least one winding wire is preferably soldered, welded or clamped to a contact of the board, so that no further components for zugentlasteten contacting the winding (s) of the stator are required.
  • the board may be accommodated on the front side of the stator in a plastic housing connected to the stator.
  • the stator may be formed of steel with windings of copper.
  • the plastic housing may be received biased in a provided with a lid aluminum housing relative to the stator.
  • FIG. 2 shows a 3D partial view of the stator of the actuator of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a side view of the stator of FIG. 2
  • FIG. 4 is a plan view of the stator of FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a similar to the hydrostatic actuator of WO201 1/127888 A2 similar actuator 1 with the preferably made of aluminum, one-sided open and sealed with the lid 3 housing 2.
  • the electric motor 4 with the fixed to the housing 2 stator 5 and the opposite of this or the housing 2 axially fixed and rotatably mounted rotor 6 is arranged.
  • the stator 5, which is preferably made of steel, contains three phase-forming windings 7, which are wound from winding wires 8 preferably made of copper.
  • the plastic housing 9 is braced, to which the power electronics 10 and optionally an electronic control unit are added. Power electronics 10 and possibly control electronics are implemented on at least one circuit board 1 1.
  • the winding wires 8 from the example insulating and the winding wires 8 fixed receiving receptacles 12 extends and by means of recordings 13 firmly soldered to the board 1 1 with a contact this, welded, jammed as crimped or contacted in any other way .
  • the Switzerlandentlas- 14 effective, which is formed from the elastic portion 15.
  • the elastic portion 15 acts as a spring and is provided in the embodiment shown with the two bends 16, 17, so that the winding wires 8 in the area of the receptacles 12, 13 each along a rotation axis of the electric motor 4 vertically and perpendicular to these areas extending section 15 is therefore formed horizontally to this axis of rotation.
  • the section can also be formed in a different manner, for example in a spiral, zig-zag or similarly with a different spatial directions having course of the winding wires outside of the stator 5.
  • FIGS. 2 to 4 show the stator 5 of Figure 1 in different views.
  • FIGS. 2 and 3 already show the winding wires 8, which extend outside of the stator 5 from the receptacles 12, with the formed sections 15 and bends 16, 17, while these are not yet formed in the plan view shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere Hydrostataktor, für ein Kraftfahrzeug mit einem Rotor und einem Stator mit zumindest einer Wicklung und einer eine Bestromung der zumindest einen Wicklung steuernden Platine einer Leistungselektronik mit zumindest einem zugentlasteten Anschluss der zumindest einen Wicklung des Stators an die Platine. Um bei unterschiedlich verwendeten Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten über den Einsatztemperaturbereich eine dauerhafte und einfache Kontaktierung der zumindest einen Wicklung gegenüber der Leistungselektronik zu erzielen, ist zumindest ein Wicklungsdraht direkt mit der Platine verbunden und zwischen dessen fester Aufnahme an dem Stator und festen Aufnahme an der Platine ein zugentlastender, zwischen den Aufnahmen elastisch ausgebildeter Abschnitt des zumindest einen Wicklungsdrahts vorgesehen.

Description

Aktuator mit Leistungselektronik
Die Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere Hydrostataktor, für ein Kraftfahrzeug mit einem Rotor und einem Stator mit zumindest einer Wicklung und einer eine Bestromung der zumindest einen Wicklung steuernden Platine einer Leistungselektronik mit zumindest einem zugentlasteten Anschluss der zumindest einen Wicklung des Stators an die Platine.
Aktuatoren dienen in Kraftfahrzeugen der Entlastung des Fahrers durch Übernahme von automatisierten oder hilfskraftbetätigten Funktionen. Je nach Unterbringung eines derartigen Aktuators ist dieser extremen Temperatureinflüssen ausgesetzt. Beispielsweise dient der in der WO201 1/127888 A2 offenbarte Hydrostataktor der automatisierten Betätigung einer Reibungskupplung, indem ein Kolben eines Geberzylinders unter Zwischenschaltung eines Getriebes von einem Elektromotor axial verlagert wird. Der in dieser Offenbarung enthaltene Text und deren Figuren sind zur Vermeidung einer Kopier- und Einfügefunktion vollständig inhaltlich in diese Offenbarung zumindest in der Weise aufgenommen, dass dort offenbarte Merkmale zur Bildung einer zu beanspruchenden Merkmalskombination herangezogen werden können. Ein derartiger Hydrostataktor ist in der Regel im Motorraum untergebracht, so dass Unterschiede dessen Einsatztemperatur teilweise größer als 150° C betragen können. Durch die Verwendung von Materialmixturen mit Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten treten in derartigen Hydrostataktoren Wärmespannungen insbesondere zwischen Stator und der diesen mit elektrischer Energie versorgenden Leistungselektronik auf. Zum Ausgleich von durch die Wärmespannungen hervorgerufenen Zugspannungen der Anschlüsse des Stators an die Leistungselektronik werden beispielsweise Stanzgitter zwischen dem Stator und der Leistungselektronik eingesetzt. Derartige Stanzgitter benötigen Bauraum und sind als zusätzliche Bauteile entsprechend kostenaufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Aktuator vorzuschlagen, der eine vereinfachte Ausbildung einer Zugentlastung zwischen Stator und Leistungselektronik ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem
abhängigen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen dieses Gegenstands wieder. Der vorgeschlagene Aktuator, insbesondere Hydrostataktor, für ein Kraftfahrzeug enthält einen Elektromotor mit einem beispielsweise unter Zwischenschaltung eines Getriebe wie beispielsweise eines Planetenwälzgetriebes einen Kolben eines Geberzylinders linear antreibenden Rotor und einem gehäusefest angeordneten Stator mit zumindest einer, bevorzugt dreiphasigen Wicklung und einer eine Bestromung der zumindest einen Wicklung steuernden Platine einer Leistungselektronik mit zumindest einem zugentlasteten Anschluss der zumindest einen Wicklung des Stators an die Platine. Hierbei ist der Anschluss der zumindest einen Wicklung direkt durch zumindest einen, bevorzugt beide Wicklungsdrähte der Wicklung(en) direkt mit der Platine verbunden. Zur Vermeidung einer an dem zumindest einen Wicklungsdraht auftretenden temperaturabhängigen Zug des Wicklungsdrahts zwischen dessen fester Aufnahme an dem Stator und einer festen Aufnahme an der Platine ist ein zugentlastender, zwischen den Aufnahmen elastisch ausgebildeter Abschnitt des zumindest einen Wicklungsdrahts vorgesehen. Hierbei wird beispielsweise eine elastische Federkraft des Abschnitts derart ausgelegt, dass diese kleiner als eine über einen vorgegebenen Einsatztemperaturbereich auftretende maximale Zugbelastung zwischen den Aufnahmen ist. Hierdurch wird erzielt, dass der auf diese Weise ausgebildete Wicklungsdraht zwar in sich steif ausgebildet, jedoch zwischen den Aufnahmen elastische Eigenschaften aufweist, quasi als Feder ausgebildet ist, so dass sich der Abschnitt bei Temperaturdifferenzen entsprechend läng und elastisch verkürzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Abschnitt zumindest eine Biegung aufweisen. Beispielsweise können die Aufnahmen den zumindest einen Wicklungsdraht im Wesentlichen in derselben Richtung aufnehmen, wobei der Abschnitt einen im Wesentlichen senkrecht zu diesem ausgebildeten, beispielsweise bei vertikaler Ausbildung des Wicklungsdrahts an den Aufnahmen einen im Wesentlichen horizontalen Bereich aufweist.
Im Weiteren kann eine maximale Biegeamplitude des Abschnitts abhängig von einer Dauerfestigkeitsgrenze des in dem zumindest einen Wicklungsdraht verwendeten Materials, beispielsweise Kupfer oder dessen Legierungen entsprechend der Wöhler-Kennlinie ausgelegt sein. Dies bedeutet, dass ein Spannungsausschlag des Abschnitts abhängig von der beispielsweise aus empirischen Daten ermittelten Maximalanzahl geforderter Lastwechsel, bei denen noch kein Bruch des Wicklungsdrahts erfolgt, vorgesehen wird. Der zumindest eine Wicklungsdraht ist in bevorzugter Weise mit einem Kontakt der Platine verlötet, verschweißt oder verklemmt, so dass keine weiteren Bauteile zur zugentlasteten Kontaktierung der Wicklung(en) des Stators erforderlich sind.
Der Einsatz der vorgeschlagenen Zugentlastung in Verbindung mit einer direkten
Kontaktierung des zumindest einen Wicklungsdrahts hat sich insbesondere bei Aktuatoren mit Materialmischungen mit Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten als vorteilhaft erwiesen. Beispielsweise kann die Platine stirnseitig des Stators in einem mit dem Stator in Verbindung stehenden Kunststoffgehäuse aufgenommen sein. Hierbei kann der Stator aus Stahl mit Wicklungen aus Kupfer gebildet sein. Das Kunststoffgehäuse kann in einem mit einem Deckel versehenen Aluminiumgehäuse gegenüber dem Stator vorgespannt aufgenommen sein.
Die Erfindung wird anhand des in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 einen Teilschnitt durch einen Aktuator,
Figur 2 eine 3D-Teilansicht des Stators des Aktuators der Figur 1 ,
Figur 3 eine Seitenansicht des Stators der Figur 2
und
Figur 4 eine Draufsicht des Stators der Figur 2.
Die Figur 1 zeigt einen dem Hydrostataktor der WO201 1/127888 A2 ähnlichen Aktuator 1 mit dem bevorzugt aus Aluminium hergestellten, einseitig offenen und mit dem Deckel 3 verschlossenen Gehäuse 2. In dem Gehäuse ist der Elektromotor 4 mit dem mit dem Gehäuse 2 fest verbundenen Stator 5 und dem gegenüber diesem oder dem Gehäuse 2 axial fest und verdrehbar gelagerten Rotor 6 angeordnet. Der bevorzugt aus Stahl hergestellte Stator 5 enthält drei Phasen bildende Wicklungen 7, die aus bevorzugt aus Kupfer hergestellten Wicklungsdrähten 8 gewickelt sind. Zwischen Deckel 3 und Stator 5 ist das Kunststoffgehäuse 9 verspannt, an dem die Leistungselektronik 10 und gegebenenfalls eine Steuerelektronik aufgenommen sind. Leistungselektronik 10 und gegebenenfalls Steuerelektronik sind auf zumindest einer Platine 1 1 implementiert. Zur Steuerung und Stromversorgung der Wicklungen 7 sind die Wicklungsdrähte 8 aus den beispielsweise isolierenden und die Wicklungsdrähte 8 fest aufnehmenden Aufnahmen 12 erstreckt und mittels Aufnahmen 13 fest auf der Platine 1 1 mit einem Kontakt dieser verlötet, verschweißt, verklemmt wie gecrimpt oder in anderer Weise kontaktiert. Zwischen den beiden Aufnahmen 12, 13 ist die Zugentlas- tung 14 wirksam, die aus dem elastischen Abschnitt 15 gebildet ist. Der elastische Abschnitt 15 wirkt als Feder und ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit den beiden Biegungen 16, 17 versehen, so dass die Wicklungsdrähte 8 im Bereich der Aufnahmen 12, 13 jeweils entlang einer Drehachse des Elektromotors 4 vertikal und der zu diesen Bereichen senkrecht verlaufende Abschnitt 15 daher waagrecht zu dieser Drehachse ausgebildet ist. Es versteht sich, dass der Abschnitt auch in anderer Weise, beispielsweise spiralförmig, zick-zack-förmig oder in ähnlicher Weise mit einem unterschiedliche Raumrichtungen aufweisenden Verlauf der Wicklungsdrähte außerhalb des Stators 5 ausgebildet sein kann.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen den Stator 5 der Figur 1 in unterschiedlichen Ansichten. Hierbei weisen die Figuren 2 und 3 bereits die außerhalb des Stators 5 aus den Aufnahmen 12 erstreckten Wicklungsdrähte 8 mit den ausgebildeten Abschnitten 15 und Biegungen 16, 17 auf, während diese in der in Figur 4 dargestellten Draufsicht noch nicht ausgebildet sind.
Bezuqszeichenliste Aktuator
Gehäuse
Deckel
Elektromotor
Stator
Rotor
Wicklung
Wicklungsdraht
Kunststoffgehäuse
Leistungselektronik
Platine
Aufnahme
Aufnahme
Zugentlastung
Abschnitt
Biegung
Biegung

Claims

Patentansprüche
1 . Aktuator (1 ), insbesondere Hydrostataktor, für ein Kraftfahrzeug mit einem Rotor (6) und einem Stator (5) mit zumindest einer Wicklung (7) und einer eine Bestromung der zumindest einen Wicklung (7) steuernden Platine (1 1 ) mit zumindest einem zugentlasteten Anschluss der zumindest einen Wicklung (7) des Stators (5) an die Platine
(1 1 ), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wicklungsdraht (8) direkt mit der Platine (1 1 ) verbunden ist und zwischen dessen fester Aufnahme (12) an dem Stator (5) und festen Aufnahme (13) an der Platine (1 1 ) ein zugentlastender, zwischen den Aufnahmen (12, 13) elastisch ausgebildeter Abschnitt (15) des zumindest einen Wicklungsdrahts (8) vorgesehen ist.
2. Aktuator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine elastische Federkraft des Abschnitts (15) kleiner als eine über einen vorgegebenen Einsatztemperaturbereich auftretende maximale Zugbelastung zwischen den Aufnahmen (12, 13) ist.
3. Aktuator (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (15) zumindest eine Biegung (16, 17) aufweist.
4. Aktuator (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmen (12, 13) den zumindest einen Wicklungsdraht (8) im Wesentlichen in derselben Richtung aufnehmen und der Abschnitt (15) im Wesentlichen senkrecht hierzu ausgebildet ist.
5. Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale Biegeamplitude eines außerhalb des Stators (5) angeordneten Abschnitts des zumindest einen Wicklungsdrahts (8) abhängig von einer Dauerfestigkeitsgrenze des in dem zumindest einen Abschnitt verwendeten Materials entsprechend der Wöh- ler-Kennlinie ausgelegt ist.
6. Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsdraht (8) mit einem Kontakt der Platine (1 1 ) verlötet, verschweißt oder verklemmt ist. Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1 1 ) stirnseitig des Stators (5) in einem mit dem Stator (5) in Verbindung stehenden Kunststoffgehäuse (9) aufgenommen ist.
Aktuator (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Stator (5) und
Kunststoffgehäuse (9) in einem mit einem Deckel (3) versehenen Gehäuse (2) gegeneinander vorgespannt aufgenommen sind.
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