DE10161366A1

DE10161366A1 - Elektrische Antriebseinheit

Info

Publication number: DE10161366A1
Application number: DE10161366A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Fleischmann; Viktor Dano; Hans-Joachim Fach; Richard Krellner
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Temic Automotive Electric Motors GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; Temic Automotive Electric Motors GmbH
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-26
Also published as: WO2003052903A3; WO2003052903A2

Abstract

Der Aufbau der elektrischen Antriebseinheit insbesondere die elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Steuermodul und dem als Außenläufermotor mit einem Stator und einem um den Stator umlaufenden Rotor ausgebildeten bürstenlosen Gleichstrommotor soll auf einfache Weise realisiert werden. Hierzu wird das elektronische Steuermodul direkt auf der Unterseite eines zur Aufnahme des Stators vorgesehenen Motorträgers aufgebracht; die elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Steuermodul und dem Stator erfolgt über durch Durchführungen im Motorträger hindurchgeführte Verbindungselemente. DOLLAR A Elektrische Antriebseinheit mit einem Lüftermotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem elektronischen Steuermodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektrische Antriebseinheiten werden in vielfältigen Anwendungsgebieten eingesetzt, beispielsweise im Haushaltsbereich oder im Kraftfahrzeugbereich; insbesondere können in Kraftfahrzeugen verschiedene bewegliche Teile des Kraftfahrzeugs mittels elektrischer Antriebseinheiten verstellt werden (bsp. Sitze, Fensterheber, Schiebedächer etc.) oder mit variabler Drehzahl betätigt werden (bsp. Lüfter). Elektrische Antriebseinheiten bestehen aus einem Elektromotor zur Erzeugung und Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung und aus einem elektronischen Steuermodul zur Ansteuerung und Überwachung des Elektromotors (beispielsweise zur Drehzahl- und Leistungsregelung des Elektromotors).

Die Elektromotoren können als Wechselstrommotoren (AC-Motoren), d. h. entweder als Asynchronmotoren (diese laufen asynchron zur eingespeisten Frequenz) oder als Synchronmotoren (diese laufen synchron zur eingespeisten Frequenz) mit einer externen Kommutierung der Motorstränge (Weiterschaltung der Motorwicklung) ausgebildet sein oder als sich (in Abhängigkeit der angelegten Eingangsspannung) selbst kommutierende Gleichstrommotoren (DC-Motoren). Falls bei (permanenterregten) Synchronmotoren die Kommutierung der Motorstränge mit einer Lageerkennung verknüpft wird, d. h. die Kommutierung in Abhängigkeit von der direkt gemessenen oder aus anderen Motorgrößen ermittelten Lage (Position) des Rotors vorgenommen wird, werden diese wie elektronisch kommutierte (sich selbst kommutierende) Gleichstrommotoren (EC-DC-Motoren) betrieben, d. h. die Selbstkommutierung des Synchronmotors erfolgt in Abhängigkeit der an die einzelnen Wicklungen des Synchronmotors angelegten Eingangsspannung; derartige kommutierte Synchronmotoren werden als bürstenlose Gleichstrommotoren bezeichnet. Unterschieden werden können die Elektromotoren weiterhin hinsichtlich der Anordnung des feststehenden Stators bezüglich des sich drehenden Rotors, d. h. danach, ob der sich der Rotor auf der Außenseite um den Stator dreht (sog. Außenläufermotor) oder aber sich auf der Innenseite um den Stator dreht (sog. Innenläufermotor),

Das elektronische Steuermodul zur Ansteuerung und Überwachung des Elektromotors, insbesondere zur elektronischen Kommutierung der Motorstränge (der Motorphasen) des Elektromotors weist(in der Regel auf einer Leiterplatte angeordnete) Bauteile auf, darunter die Kommutierung der Motorstränge durchführende (insbesondere als Kommutierungstransistoren ausgebildete) Kommutierungsschalter und bsp. eine als Microcontroller oder Mikroprozessor ausgebildete Prozessoreinheit. Um eine kompakte Bauweise und damit eine geringe Baugröße der elektrischen Antriebseinheit zu gewährleisten, müssen einerseits das elektronische Steuermodul und der auf einem Motorträger angeordnete Elektromotor so klein wie möglich ausgeführt werden, andererseits muß das elektronische Steuermodul so nahe wie möglich am Elektromotor positioniert werden, insbesondere direkt mit dem Motorträger verbunden werden. Probleme bereitet in diesem Falle die elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Steuermodul und dem Elektromotor, da die Anschlußstellen des elektronischen Steuermoduls für die elektrische Verbindung mit dem Stator des Elektromotors insbesondere bei einem Außenläufermotor nicht direkt zugänglich sind und nur über Hilfsvorrichtungen mit großem Aufwand und damit mit erheblichen Kosten und einem hohen Platzbedarf zugänglich gemacht werden können; darüber hinaus müssen bei der elektrischen Verbindung die im Betrieb der elektrischen Antriebseinheit oftmals mit sehr hohen Stromstärken (bsp. 50 A) fließenden Ströme und die hierdurch bedingten besonderen Anforderungen berücksichtigt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Antriebseinheit mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und einem elektronischen Steuermodul nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit dem ein einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger Aufbau und Betrieb der elektrischen Antriebseinheit ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

Bei der vorgestellten elektrischen Antriebseinheit wird die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem auf der Unterseite des Motorträgers angeordneten elektronischen Steuermodul und dem auf der Oberseite des Motorträgers angeordneten Stator des bürstenlosen Gleichstrommotors über von der Verdrahtungsebene des elektronischen Steuermoduls durch Durchführungen im Motorträger zu den Anschlußkontakten des Stators des bürstenlosen Gleichstrommotors geführte Verbindungselemente realisiert. Die Verbindungselemente werden hierbei insbesondere zu den Anschlußkontakten der Statorspulen geführt, die vorzugsweise auf der dem Motorträger gegenüberliegenden Oberseite des Stators ausgebildet sind. Vorzugsweise weist der Stator mehrere als Kreissegmente ausgebildete Statorspulen auf, die kreisförmig mit einer zentralen Aussparung zur Aufnahme der Achse des Rotors angeordnet sind; im Bereich dieser Aussparung werden die Verbindungselemente entlang des Stators von dessen Unterseite zu dessen Oberseite geführt.

Die Verbindungselemente müssen zur Leitung von Strömen mit hohen Stromstärken eine hohe Stromtragefähigkeit aufweisen. Das Material der Verbindungselemente wird abhängig von der gewünschten Kontaktierung der Anschlußkontakte (der Statorspulen) des Stators durch die Verbindungselemente gewählt. Als Verbindungselemente kommen insbesondere metallische Blechstreifen in Betracht, vorzugsweise Stanzgitteranschlüsse eines Stanzgitters (diese Stanzgitteranschlüsse können auf einfache Weise an einem zur Kontaktierung der Bauteile des elektronischen Steuermoduls und/oder zur Ausbildung von Anschlußkontakten eines Steckeranschlusses vorgesehenen Stanzgitter ausgebildet werden) oder als Verbundelemente aus, einer formbeständigen Isolationsschicht (bsp. Kunststoffstege) mit eingelegtem Leiter (bsp. Litzen oder Drähte), wobei der Leiter bsp. mit der Isolationsschicht umspritzt werden kann. Die metallischen Blechstreifen (insbesondere die Stanzgitteranschlüsse) als Verbindungselemente bestehen bsp. aus Kupfer oder Kupferlegierungen, bsp. aus Kuper-Zinn-Bronze (CuSn₆) und werden bsp. durch Schweißen oder Hartlöten mit den Anschlußkontakten (der Statorspulen) des Stators des bürstenlosen Gleichstrommotors verbunden; die Verbundelemente als Verbindungselemente werden bsp. durch Schweißen, Crimpen oder Weichlöten (Hochtemperaturlöten) der in die Isolationsschicht eingelegten Leiter mit den Anschlußkontakten (der Statorspulen) des Stators verbunden.

Die Verbindungselemente können entweder direkt mit den Wicklungen der Statorspulen des Stators verbunden werden, d. h. als Anschlußkontakte (der Statorspulen) des Stators werden die Spulenwicklungen der Statorspulen herangezogen, oder aber (insbesondere der besseren Zugänglichkeit wegen) indirekt über Kontaktelemente, d. h. als Anschlußkontakte werden mit den Spulenwicklungen der Statorspulen verbundene, insbesondere als Kontakthaken oder Kontaktflächen ausgebildete Kontaktelemente herangezogen.

Vorteilhafterweise wird bei der vorgestellten elektrischen Antriebseinheit eine einfach und kostengünstig zu realisierende Verbindung zwischen dem bürstenlosen Gleichstrommotor und dem elektronischen Steuermodul ermöglicht; insbesondere kann die Kontaktierung des Stators bzw. der Statorspulen auf einfache Weise ohne das Erfordernis von zusätzlichen Hilfsvorrichtungen realisiert werden. Der hierdurch bedingte kompakte Aufbau der elektrischen Antriebseinheit - deren Breite wird aufgrund der vollständigen Integration und der zentralen Anordnung des elektronischen Steuermoduls und der zentralen Führung der Verbindungselemente im Innern der elektrischen Antriebseinheit alleine durch die Abmessungen (insbesondere durch den Durchmesser) des bürstenlosen Gleichstrommotors bestimmt - eröffnet vielfältige und breit gestreute Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten der elektrischen Antriebseinheit.

Die elektrische Antriebseinheit wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher beschrieben.

Hierbei zeigt
Fig. 1 in einer dreidimensionalen Darstellung die voneinander getrennten Komponenten bürstenloser Gleichstrommotor und elektronisches Steuermodul der elektrischen Antriebseinheit,
Fig. 2 in einer dreidimensionalen Darstellung die miteinander verbundenen Komponenten bürstenloser Gleichstrommotor und elektronisches Steuermodul der elektrischen Antriebseinheit,
Fig. 3 in einer Schnittdarstellung die miteinander verbundenen Komponenten bürstenloser Gleichstrommotor und elektronisches Steuermodul der elektrischen Antriebseinheit.
Die elektrische Antriebseinheit 1 weist bsp. einen als Lüftermotor ausgebildeten bürstenlosen Gleichstrommotor 3 und ein zur Steuerung des Lüftermotors 3, insbesondere zur Variation der Drehzahl des Lüftermotors 3 vorgesehenes elektronisches Steuermodul 2 auf. Hierbei soll die Drehzahl des Lüftermotors 3 in einem Drehzahlbereich zwischen 400 U/min und 2400 U/min (Nenndrehzahl) variiert werden, was durch Variation einer dem Lüftermotor 3 zugeführten Gleichspannung erreicht wird; bei der Nenndrehzahl von bsp. 2400 U/min wird die definierte Leistung des Lüftermotors 3 abgegeben. Der Lüftermotor 3 besitzt bsp. eine maximale Aufnahmeleistung von 600 W bei einer Motorklemmenspannung von 12 V und damit einen maximalen Motorstrom von 50 A, der durch Kommutierung auf die Motorwicklungen des Lüftermotors 3 aufgeteilt wird (Kommutierung der Motorstränge des Lüftermotors 3).
In der Fig. 1 sind die voneinander getrennten Komponenten Lüftermotor 3 und elektronisches Steuermodul 2 der elektrischen Antriebseinheit 1 dargestellt. Die Bauteile 21 des elektronischen Steuermoduls 2 sind auf einer Leiterplatte 22 aufgebracht, insbesondere sind als Bauteile 21 Kommutierungstransistoren 211 als Leistungsbauteile zur Kommutierung der Motorstränge des Lüftermotors 2 vorgesehen, bsp. 4 als Feldeffekttransistoren ausgebildete Kommutierungstransistoren 211, deren Anschlußpins 212 auf der Leiterplatte 22 und mit den Stanzgitteranschlüssen 26 eines Stanzgitters 24 kontaktiert sind. Zum Schutz der Bauteile 21 des elektronischen Steuermoduls 2 ist die Leiterplatte 22 in ein Gehäuse 23 eingebracht, das bsp. aus Kunststoff (PBT) besteht. Das zur elektrischen Verbindung der Bauteile 21 und zur Bereitstellung einer externen Anschlußmöglichkeit vorgesehene Stanzgitter 24 ist aus mehreren von Kunststoff 25 umspritzten Stanzgitteranschlüssen 26 gebildet; die nach außen geführten Stanzgitteranschlüssen 26 werden in einem Steckeranschluß 27 zusammengefaßt, an dem insbesondere ein Anschlußstecker zur Verbindung der elektrischen Antriebseinheit 1 mit weiteren Baugruppen oder mit der Spannungsversorgung angeschlossen werden kann, bsp. zur Verbindung der elektrischen Antriebseinheit 1 mit dem Bordnetz. Weiterhin sind mehrere Stanzgitteranschlüsse des Stanzgitters 24 als Verbindungselemente 28 ausgebildet, die senkrecht aus der Ebene der Leiterplatte 22 weggeführt sind; bsp. sind 6 Verbindungselemente 28 vorgesehen, wobei bsp. zwei Verbindungselemente 28 für die Spannungsversorgung des Lüftermotors 3 und vier Verbindungselemente 28 für die Kommutierung des Lüftermotors 3 vorgesehen sind. Die Verbindungselemente 28 bestehen bsp. aus Elektrolytkupfer mit einer Dicke von bsp. 0.8 mm und besitzen bsp. einen quadratischen Durchmesser von bsp. 6 mm; die Länge der Verbindungselemente 28 wird entsprechend der Höhe des Stators 31 des Lüftermotors 3 und damit abhängig von der Leistung der elektrischen Antriebseinheit 1 gewählt, bsp. beträgt die Länge der Verbindungselemente 28 ca. 70 mm.
Der aus mehreren Statorspulen 35 gebildete kreisförmige Stator 31 des Lüftermotors 3 (in der Fig. 1 sind die Statorspulen 35 ohne Spulenwicklungen dargestellt) ist auf der Oberseite 331 des Motorträgers 33 angeordnet; insbesondere sind die Kreissegmente bildenden Statorspulen 35 derart angeordnet, daß in der Mitte eine Aussparung 38 entsteht. In diese Aussparung 38 wird die Drehachse des um den Stator 31 umlaufenden, Magnete aufweisenden Rotors eingesetzt; der Rotor ist in der Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt (siehe Fig. 3: Rotor 32, Achse 321, Magnet 322); Der Motorträger 33 weist Aussparungen 34 (siehe Fig. 3) als Durchführung für die vom Stanzgitter 24 des elektronischen Steuermoduls 2 ausgehenden Verbindungselemente 28 auf, die hierdurch auf der dem Motorträger 33 gegenüberliegenden Oberseite 311 des Stators 31 zu den einzelnen Statorspulen 35 geführt werden. An den Enden der Wicklungen der Statorspulen 35 sind zur Realisierung der Anschlußkontakte des Stators 31 bzw. der Statorspulen 35 sowohl als Kontakthaken 36 als auch als Kontaktflächen 37 ausgebildete Kontaktelemente angebracht; die durch die Durchführungen 34 hindurchgeführten und auf der Innenseite der Aussparung 38 geführten Verbindungselemente 28 werden auf geeignete Weise entweder mit den Kontakthaken 36 oder mit den Kontaktflächen 37 elektrisch leitend verbunden, bsp. werden die Verbindungselemente 28 mit den Kontaktflächen 37 verschweißt.
In der Fig. 2 sind die zusammengesetzten und über die Verbindung der Verbindungselemente 28 mit den Kontaktflächen 37 elektrisch miteinander verbundenen Komponenten elektronisches Steuermodul 2 und Lüftermotor 3 dargestellt; auf der Oberseite 331 des Motorträgers 33 ist der Lüftermotor 3 befestigt, bsp. durch Nieten, auf der Unterseite 332 des Motorträgers 33 ist das elektronische Steuermodul 2 direkt angebracht und bsp. durch Schrauben 29 fixiert, bsp. durch die im Motorträger 33 angebrachten Löcher 334 hindurch. Aufgrund der zentralen Anordnung des elektronischen Steuermoduls 2 und insbesondere wegen der elektrischen Verbindung des elektronischen Steuermoduls 2 mit dem Lüftermotor 3 über die zentral in der elektrischen Antriebseinheit 1 geführten Verbindungselemente 28 ist das unterhalb des Motorträgers 33 angeordnete elektronische Steuermodul 2 vollständig innerhalb der Abmessungen des Stators 31 plazierbar, d. h. es ragt an keiner Stelle über den Motorträger 33 hinaus. Die im Motorträger 33 angebrachten Löcher 333 dienen zur Befestigung der elektrischen Antriebseinheit 1, bsp. an der Karosserie eines Kraftfahrzeugs.
In der Schnittzeichnung der Fig. 3 wird deutlich, daß das Stanzgitter 24 einerseits über die mit Kunststoff 25 umspritzten Stanzgitteranschlüsse 26 sowohl zur Kontaktierung der auf der Leiterplatte 22 angeordneten Bauteile 21 des Steuermoduls 2 als auch zur Bildung des Steckeranschlusses 27 dient und andererseits über die Verbindungselemente 28 zur elektrisch leitenden Verbindung mit den an den Spulenwicklungen der Statorspulen 35 angebrachten Kontaktflächen 37. Die Achse 321 des um den Stator 31 umlaufenden Rotors 32 ist in die Aussparung 38 eingeführt und über Lager gesichert; die Magnete 322 des Rotors 32 sind bsp. im Rotor 32 eingeklebt.

Claims

1. Elektrische Antriebseinheit (1) mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor (3) und einem elektronischen Steuermodul (2) zur Ansteuerung des bürstenlosen Gleichstrommotors (3), wobei der bürstenlose Gleichstrommotor (3) als Außenläufermotor einen auf der Oberseite (331) eines Motorträgers (33) angeordneten Stator (31) und einem um den Stator (31) umlaufenden Rotor (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuermodul (2) direkt auf der Unterseite (332) des Motorträgers (33) aufgebracht ist, und daß die elektrische Verbindung zwischen dem elektronischen Steuermodul (2) und dem Stator (31) über durch Durchführungen (34) im Motorträger (33) hindurchgeführte Verbindungselemente (28) erfolgt.

2. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (28) das elektronische Steuermodul (2) mit auf der dem Motorträger (33) gegenüberliegenden Oberseite (311) des Stators (31) angeordneten Anschlußkontakten (36, 37) des Stators (31) elektrisch leitend verbinden.

3. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (31) eine kreisförmige Gestalt mit einer zentralen Aussparung (38) zur Aufnahme der Achse (321) des Rotors (32) aufweist, und daß die Verbindungselemente (28) im Bereich der Aussparung (38) von der Unterseite (312) des Stators (31) zur Oberseite (311) des Stators (31) geführt sind.

4. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (31) aus mehreren als Kreissegmente ausgebildeten Statorspulen (35) zusammengesetzt ist.

5. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Kontaktierung der Bauteile (21) des elektronischen Steuermoduls (2) ein mit der Unterseite (332) des Motorträgers (33) verbundenes Stanzgitter (24) vorgesehen ist.

6. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stanzgitter (24) mit Kunststoff (25) umspritzte Stanzgitteranschlüsse (26) aufweist.

7. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (28) als Blechstreifen ausgebildet sind.

8. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (28) als Stanzgitteranschlüsse (26) des Stanzgitters (24) ausgebildet sind.

9. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente als Verbundelemente aus mit einer formbeständigen Isolationsschicht umspritzte elektrische Leiter gebildet sind.

10. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter als Litze oder Draht ausgebildet sind.

11. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte des Stators (31) durch die Wicklungen der Statorspulen (35) des Stators (31) gebildet sind.

12. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte des Stators (31) durch an den Wicklungen der Statorspulen (35) des Stators (31) angeordnete Kontaktelemente (36, 37) gebildet sind.

13. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente als Kontakthaken (36) ausgebildet sind.

14. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente als Kontaktflächen (37) ausgebildet sind.

15. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Verbindungselemente (28) mit den Kontaktelementen (36, 37) durch Löten, Schweißen oder Crimpen erfolgt.

16. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Steuermodul (2) Kommutierungsschalter zur Kommutierung der Motorstränge des bürstenlosen Gleichstrommotors (3) aufweist.

17. Elektrische Antriebseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kommutierungsschalter als Kommutierungstransistoren (21) ausgebildet sind.

18. Elektrische Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (21) des elektronischen Steuermoduls (2) auf einer Leiterplatte (22) angeordnet sind.