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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit Statorwicklungen und einer Leiterplatte zur Verschaltung der Statorwicklungen und ein Verfahren zum Herstellen eines Elektromotors einer Baureihe von Elektromotoren.
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Es ist allgemein bekannt, dass Statorwicklungen eines Elektromotors verschaltet werden, insbesondere in Sternschaltung oder Dreieckschaltung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Elektromotors zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Elektromotor nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Elektromotor mit Statorwicklungen und einer Leiterplatte zur Verschaltung der Statorwicklungen sind, dass
die Verschaltung der Statorwicklungen mittels der Leiterbahnen der Leiterplatte ausgeführt ist und/oder die Leiterbahnen der Leiterplatte derart ausgeführt sind, dass sie die Verschaltungsart der Statorwicklungen festgelegen,
wobei ein jeweiliger Statorwicklungsdraht einer jeweiligen Statorwicklung mit einer jeweiligen Kontaktierungsstelle, insbesondere also Metallschicht oder Leiterbahnabschnitt der Leiterplatte, der Leiterplatte verbindbar ist,
wobei die Leiterplatte eine erste Sorte von Kontaktierungsstellen und eine zweite Sorte von Kontaktierungsstellen aufweist, wobei die Kontaktierungsstellen der ersten Sorte von den Kontaktierungsstellen der zweiten Sorte beabstandet sind und/oder unterschiedlich ausgeführt sind,
wobei wahlweise die Statorwicklungsdrähte entweder nur mit Kontaktierungsstellen der ersten Sorte oder nur mit Kontaktierungsstellen der zweiten Sorte verbunden werden,
wobei der ersten Sorte von Kontaktierungsstellen eine andere Verschaltung der Statorwicklungen zugeordnet ist als der zweiten Sorte von Kontaktierungsstellen.
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Von Vorteil ist dabei, dass der Elektromotor mit der gewünschten Verschaltungsart durch bloße Art der Kontaktierung, nämlich Kontaktierung der ersten oder zweiten Sorte, erhältlich ist. Wenn also die Statorwicklungen mit den Kontaktierungsstellen der ersten Sorte verbunden werden, ist eine erste Verschaltungsart erzeugt. Wenn die Statorwicklungen mit den Kontaktierungsstellen der zweiten Sorte verbunden werden, ist eine zweite Verschaltungsart erzeugt.
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Als Verschaltung ist beispielsweise die Reihenschaltung oder Parallelschaltung von Statorwicklungen oder zumindest einer Gruppe von Statorwicklungen bekannt, wobei dann wiederum die Gruppen in Reihe oder parallel zusammenschaltbar sind. Als Verschaltung ist insbesondere die Sternschaltung oder Dreieckschaltung bei Drehstrommotoren bekannt.
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Wichtige Merkmale bei dem Elektromotor mit Statorwicklungen und einer Leiterplatte zur Verschaltung der Statorwicklungen nach Anspruch 2 sind, dass die Verschaltungsart durch die zu den Statorwicklungen relative Positionierung der Leiterplatte festgelegt ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass durch die bloße Verdrehung die Verschaltung der Statorwicklungen gewählt wird. Dabei ist die Verschaltung auf einer Leiterplatte in Form der dortigen Leiterbahnstruktur festgelegt und somit in einfacher und fehlerfreier Weise in Massenfertigung herstellbar. Auf diese Weise ist auch Handarbeit verringerbar, insbesondere eine vollautomatische Verschaltung ausführbar. Die Leiterplatte ist formschlüssig mit Endkappen der Statorwicklungen verbindbar, die jeweils zumindest teilweise umwickelt sind mit einer jeweiligen Statorwicklung, insbesondere wobei die jeweilige Endkappe aufgesteckt ist auf einen als Blechpaket ausgeführten Spulenkern der Einzelwicklung und wobei die Endkappe zumindest teilweise als Spulenträger fungiert. Des Weiteren ist auch Vergussmasse zwischen jeweiliger Endkappe und Statorwicklung vorsehbar.
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Zur Verschaltung ist also nur ein axiales Hinbewegen und Einklipsen der Leiterplatte an den Endkappen auszuführen und ein nachfolgendes stoffschlüssiges Verbinden der Statorwicklungsdrähte an den jeweils gewählten Kontaktierungsstellen. Die Leiterplatte ist um einen Umfangswinkel verdreht ebenfalls klipsverbindbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Leiterbahnen als konzentrische Kreisringe ausgeführt oder jede der Leiterbahnen umfasst zumindest einen konzentrisch zu den anderen Kreisringen angeordneten Kreisring,
wobei im Kreisring Ausnehmungen angeordnet sind, wobei jeder Kontaktierungsstelle der ersten und der zweiten Sorte jeweils eine Ausnehmung im Kreisring zugeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass im Muster der Ausnehmungen, also in der in Umfangsrichtung gesehen vorgesehenen Folge von Durchmessern der Ausnehmungen, die Verschaltungsarten codiert sind. Denn eine große Ausnehmung gewährleistet die Isolierung von der Kontaktierungsstelle; eine kleine Ausnehmung hingegen ermöglicht die elektrische Verbindung an der Kontaktierungsstelle. Dabei ist an der Kontaktierungsstelle eine Durchkontaktierung oder eine durchkontaktierte Bohrung in der Leiterplatte vorgesehen, so dass bei kleiner Ausnehmung die Leiterbahn bis an die Metallschicht der Durchkontaktierung oder durchkontaktierten Bohrung heranreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Durchmesser der Ausnehmung einen ersten Wert auf, wenn die entsprechende Leiterbahn elektrisch verbunden ist mit der Kontaktierungsstelle und dass der Durchmesser der Ausnehmung einen zweiten Wert aufweist, wenn die entsprechende Leiterbahn elektrisch nicht verbunden ist mit der Kontaktierungsstelle,
wobei der zweite Wert größer ist als der erste Wert. Von Vorteil ist dabei, dass beim größeren Wert eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahn und der Metallschicht der Durchkontaktierung oder durchkontaktierten Bohrung in einfacher Weise erreicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Kontaktierungsstelle eine Durchkontaktierung oder eine durchkontaktierte Bohrung in der Leiterplatte,
wobei die Metallschicht der Durchkontaktierung mit einem metallischen Anschlusselement elektrisch verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine Schweißverbindung des anzuschließenden Drahtes, insbesondere Wicklungsdrahtes, am Anschlusselement ausführbar ist und somit die Leiterplatte thermisch entlastet wird beim Herstellender elektrischen Verbindung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlusselement ein Leiterbahnabschnitt an der Oberseite der Leiterplatte, wobei der Endbereich eines jeweils mit der Kontaktierungsstelle verbundenen Wicklungsdrahtes stoffschlüssig mit dem Leiterbahnabschnitt verbunden ist, insbesondere schweißverbunden oder lötverbunden. Von Vorteil ist dabei, dass ein direktes Verbinden ermöglicht ist und somit Zusatzteile entfallen. Allerdings ist die Leiterplatte beim Herstellen der elektrischen Verbindung thermisch belastet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlusselement ein in die Leiterplatte eingepresstes Einpressteil,
wobei der Endbereich eines jeweils mit der Kontaktierungsstelle verbundenen Wicklungsdrahtes stoffschlüssig mit dem Einpresselement verbunden ist,
insbesondere an der von der Leiterplatte abgewandten Seite,
insbesondere wobei der Wicklungsdraht in eine im Einpressteil angeordnete Kerbe oder Nut eingelegt ist und laserschweißverbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte thermisch entlastet ist. Die Kerbe ermöglicht auch das Positionieren von Drähten mit unterschiedlichem Durchmesser. Außerdem ist eine Strahlenfalle im Kerbenbereich zwischen Einpressteil und Draht gebildet, so dass ein effektives Laserstrahlschweißverfahren anwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Anschlusselement ein in die Leiterplatte eingepresstes Drahtfangteil ist,
wobei der Wicklungsdraht zwischen zwei Schenkeln eines V-förmigen Fangabschnitts des Drahtfangteils gehalten ist,
wobei der Wicklungsdraht mit dem Drahtfangteil schweißverbunden, insbesondere kontaktschweißverbunden, ist. Von Vorteil ist dabei, dass bei der Herstellung ein Einfangen der aus den Statorwicklungen beziehungsweise Endkappen hervorragenden Endbereichen der Wicklungsdrähte durch Drehbewegung ausführbar ist. Somit werden alle in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Endbereiche eingefangen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf jeden Spulenkern, der als Blechpaket hergestellt ist, einer jeweiligen Statorwicklung eine Endkappe aufgeschoben, wobei die Endkappe einen Verbindungsabschnitt aufweist, mittels dessen die Leiterplatte mit der Endkappe formschlüssig, insbesondere klipsverbindbar, ist,
insbesondere wobei an der als Kunststoffspritzgussteil ausgeformten Endkappe ein Verbindungsabschnitt ausgeformt ist, der aus der Endkappe herauskragt und einen verbreiterten Endabschnitt aufweist, mit dem eine Einklipsverbindung am radial äußeren Rand der Leiterplatte oder in eine Ausnehmung der Leiterplatte ausführbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Endkappe eine Isolierung der Statorwicklung von dem Blechpaket ausführt, da sie aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Außerdem verbessert sie die Drahtführung und weist einen jeweiligen Verbindungsabschnitt auf zum Verbinden der Leiterplatte. Darüber hinaus sind Kabelführungsausformungen an der Endkappe vorgesehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Endkappe einen Drahtführungsabschnitt auf. Von Vorteil ist dabei, dass der Draht geführt wird in der Endkappe und somit an die für ihn vorgesehene Kontaktierungsstelle verbunden wird.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Herstellen eines vorgenannten Elektromotors einer Baureihe von Elektromotoren sind, dass
- – die Leiterplatte wahlweise in relativ zu den Statorwicklungen eine von zwei Umfangswinkelpositionen gebracht wird,
- – in der ersten Umfangswinkelposition die Statorwicklungsdrähte mit Kontaktierungsstellen der ersten Sorte verbunden werden und in der zweiten Umfangswinkelposition die Statorwicklungsdrähte mit Kontaktierungsstellen der zweiten Sorte verbunden werden.
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Von Vorteil ist dabei, dass durch bloße Verdrehwinkelposition die Verschaltungsart gewählt wird. Die weiteren Fertigungsschritte sind bei beiden Varianten der Baureihe gleich. Somit ist also ein Motor aus einem Baukasten, umfassend Statorwicklungen und Leiterplatte, herstellbar, wobei die Verschaltungsart sozusagen codiert wird in der Verdrehwinkelposition. Die Leiterbahnen der Leiterplatte sind derart ausgeführt, dass mit derselben Leiterplatte zumindest zwei Verschaltungsarten erzeugbar sind die Statorwicklungsdrähte an die entsprechenden Kontaktierungsstellen verbunden werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
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In der 1 ist eine Schrägansicht auf eine erfindungsgemäße Verschaltungsanordnung eines Elektromotors gezeigt, wobei die Leiterplatte 4 die Verschaltung der mit jeweiligen aufgesetzten Endkappen 5 versehenen Statorwicklungen bewirkt.
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In der 2 ist die Leiterplatte 4 in Draufsicht dargestellt.
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In der 3 ist die Verschaltungsanordnung ohne Leiterplatte 4 gezeigt.
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In der 4 ist eine Schrägansicht auf eine Endkappe 5 gezeigt.
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In der 5 ist eine zugehörige Seitenansicht gezeigt.
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In der 6 ist für ein zweites Ausführungsbeispiel eine andere Art der Kontaktierung der Statorwicklungen auf der Leiterplatte 4 gezeigt, wobei die Leiterplatte 4 mit einem Drahtfangteil 60 bestückt ist.
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In der 7 ist eine Schrägansicht auf ein solches Drahtfangteil 60 gezeigt.
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In der 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, die als Alternative zum Drahtfangteil 60 ein Einpresselement 80 zeigt.
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In 9 ist ein vergrößerter Ausschnitt zu 1 gezeigt, wobei statt des pilzkopfförmigen Klipsverbindungsabschnitts 6 ein Klipsverbindungsteil 90 verwendet ist.
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In 10 ist ein Querschnitt durch den Klipsverbindungsbereich des Klipsverbindungsabschnitts 6 der 1 und 11 zwischen Leiterplatte 4 und Endkappe 5 gezeigt.
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In der 11 ist ein vergrößerter Ausschnitt zu 1 gezeigt.
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In der 12 ist ein Querschnitt durch den Durchkontaktierungsbereich der Leiterplatte 4 gezeigt.
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Wie in 1 gezeigt, ist der Stator des Elektromotors aus mehreren Einzelwicklungen aufgebaut, die jeweils auf einen aus einem Blechstapel gefertigten Kern gewickelt sind. Die so gebildeten Einzelspulen sind ringförmig zusammengesetzt zur Bildung des Stators.
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Jede Einzelwicklung weist eine Endkappe 5 auf, die als Kunststoffspritzgussteil gefertigt ist und einen Drahtführungsbereich mit Drahtführungsrillen 40 aufweist. Der Endabschnitt des Wicklungsdrahts 3 wird über einen Drahtführungskanal 51 und einen Führungsabschnitt 52 zum Umlenken geführt.
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Zur Herstellung der Verschaltung wird die Leiterplatte 4 axial, also in Rotorachsrichtung des Elektromotors, auf Klipsverbindungsabschnitte 6 der Endkappen 5 geschoben. Dabei ist die relative Positionierung der Leiterplatte 4 in Umfangsrichtung, also die Winkelstellung der Leiterplatte 4 relativ zu den Endkappen 5 des Stators.
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Je nach Winkelstellung kommt so der aus der Endkappe herausgeführte Endabschnitt des Wicklungsdrahtes 3 an einem ersten Kontaktierungsabschnitt 1, insbesondere Leiterbahnabschnitt, erster Sorte oder an einem Kontaktierungsabschnitt 2, insbesondere Leiterbahnabschnitt, zweiter Sorte zu liegen, mit dem er dann auch verbunden wird.
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Die gemäß 1 verwendete Verbindungstechnik ist ein stoffschlüssiges Verbinden, also Lötverbinden, Verschweißen oder dergleichen.
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Alternativ ist auch Verbinden gemäß 6 mit einem Drahtfangteil 60 ausführbar, wobei das Drahtfangteil Füßchen 70 aufweist, mit denen es in Ausnehmungen, insbesondere Durchkontaktierungen oder durchkontaktierte Bohrungen der Leiterplatte einpressbar ist, wobei durch dieses Einpressen eine Kaltschweißverbindung erzeugt wird. Die jeweiligen Endabschnitte der Wicklungsdrähte 3 werden in die V-förmigen Fangabschnitte 71 eingelegt und durch Verbiegen der Fangabschnitte 71, also Vermindern des Öffnungswinkels des V, eingequetscht zwischen den Schenkeln, also Fangabschnitten 71, des V und schweißverbunden, insbesondere kontaktschweißverbunden.
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Die Füßchen 70, also Pins, sind mit dem V-förmigen Fangabschnitt 71 über den Halteabschnitt 72 verbunden.
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Eine weitere Alternative zur Verbindung des Wicklungsdrahtes 3 mit den Leiterbahnen der Leiterplatte 4 ist das statt des Drahtfangteils 60 in die Leiterplatte eingepressten Einpresselements 80. Dabei ist dieses Einpresselement 80 mit Füßchen 81 in Ausnehmungen, insbesondere Durchkontaktierungen oder durchkontaktierte Bohrungen, eingepresst, so dass das Einpresselement 80 mittels seiner Füßchen 81 mit einer Metallschicht (120, 121, 123) der Leiterplatte 4 verbunden. Ein Drahtabschnitt 82 des Endabschnitts des Wicklungsdrahtes 3 ist auf der von den Füßchen abgewandten Seite des Einpresselements 80 mit dem Einpresselement 80 schweißverbunden. Vorzugsweise ist dabei der Wicklungsdraht 3 in eine Kerbe des Einpresselements 80 eingelegt, wobei somit der Draht positioniert ist. Ein Laserschweißverbinden ist somit ausführbar, wobei die Strahlrichtung in den Zwischenbereich zwischen Einpresselement 80 und Drahtabschnitt 82 gerichtet wird. Der Draht 3, insbesondere auch der Endabschnitt des Drahtes 3 weist zwar eine Isolierlackschicht 83 auf, jedoch fehlt diese im Drahtabschnitt 82 ganz.
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In 1, 10 und 11 ist zur Klipsverbindung der Leiterplatte 4 mit den Endkappen 5 ein jeweils pilzkopfförmig ausgebildeter Klipsverbindungsabschnitt 6 gezeigt, der in eine jeweils runde Ausnehmung der Leiterplatte 4 eingreift. Die runde Ausnehmung ist dabei am radial äußeren Außenrand der Leiterplatte 4 angeordnet und nach außen offen ausgeführt. Alternativ ist aber auch eine runde Ausnehmung in der Leiterplatte 4 vorsehbar, wobei dann der Pilzkopf des Klipsverbindungsabschnitts 6 entsprechend elastisch verformbar ausgeführt ist.
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Nach dem Aufstecken und Klipsverbinden mit dem Klipsverbindungsabschnitt 6 liegt die Leiterplatte 4 auf einem plattenförmigen Abschnitt 41 der Endkappe auf, wie in 4 gut zu sehen ist. Somit ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen Statorwicklung und Leiterplatte 4 erhöht, da das Kunststoff-Material der Endkappe 5, also auch des für die Leiterplatte 4 als Auflage wirksamen plattenförmigen Abschnitts 41 thermisch isolierend wirkt. Diese Auflage 41 trägt also zur mechanischen Abstützung der Leiterplatte 4 und zur thermischen Entkopplung der Leiterplatte 4 von den heißen Wickelköpfen der Statorwicklung bei. Somit ist ein thermisch empfindlicheres Leiterplattenmaterial verwendbar als ohne diese thermische Isolierung. Also ist auch ein Leiterplattenmaterial mit geringerer Glaserweichungstemperatur auswählbar.
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Das in 9 gezeigte, einen zum Einklipsen vorgesehenen Vorsprung aufweisende Klipsverbindungsteil 90 wird beim axialen Einschieben der Leiterplatte 4 auf die Endkappen zunächst ebenfalls ausgelenkt und schnappt bei Erreichen der Einklipsverbindungsposition nach radial innen ein.
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Bei allen Ausführungsbeispielen wird also entweder durch Lötverbinden des Drahtes 3 oder durch Einpressen eines Einpresselements 80 oder durch Einpressen eines Drahtfangteils 60 in die Leiterplatte 4 eine Kontaktierung erster oder zweiter Sorte mit der Leiterplatte 4 ausgeführt. In 1 ist die erste Sorte mit A und die zweite Sorte mit B gekennzeichnet.
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Wie in 12 gezeigt, wird für die Kontaktierung eine Durchkontaktierung oder durchkontaktierten Bohrung mit Metallschicht 120 verwendet, wobei die Wandung der Durchkontaktierung oder durchkontaktierten Bohrung von der Metallschicht 120 gebildet ist.
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Die Leiterplatte ist als Multilayer-Leiterplatte ausgeführt.
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Dabei sind in 12 beispielhaft vier Leiterbahnen gezeigt, wobei die erste und dritte Leiterbahn 121 und 123 elektrisch verbunden sind mit der Metallschicht 120, indem sie mit einem kleineren Durchmesser der in ihnen vorgesehenen Öffnung ausgeführt sind als die zweite und vierte Leiterbahn 122 und 124.
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Jede Leiterbahn (121, 122, 123, 124) ist also als kreisringförmige Leiterbahn ausgeführt, so dass diese Leiterbahnen (121, 122, 123, 124) konzentrisch in der Multilayer-Leiterplatte angeordnet sind.
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An jeder mit A oder B in 1 bezeichneten Umfangswinkelposition weist jede der Leiterbahnen eine Ausnehmung auf, wobei der Durchmesser dieser Ausnehmung dann klein ist, wenn eine elektrische Verbindung mit der Metallschicht 120 vorgesehen ist. Wenn keine elektrische Verbindung mit der Metallschicht 120 vorgesehen ist, ist der Durchmesser größer, so dass der in 12 bei den Leiterbahnen 122 und 124 vorgesehene Isolierabstand erreicht ist. Der Durchmesser der Ausnehmungen ist jedoch viel kleiner als das durch die Anzahl der Kontaktierungsmöglichkeiten beider Sorten dividierte Dreifache des Durchmessers des Kreisrings.
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Die Leiterbahnen (121, 122, 123, 124) sind jeweils mit einer Phase der Versorgungsleitung, insbesondere Drehstromversorgungsleitung des Motors, verbindbar.
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Die Verschaltung des Motors ist also durch das Muster der Durchmesser der Ausnehmungen gegeben. Die entsprechenden Folgen dieser Durchmesserwerte in Umfangsrichtung kennzeichnen also die Verschaltungsart.
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Als Verschaltung sind beispielsweise Reihenschaltung der Einzelwicklungen oder Parallelschaltung der Einzelwicklungen möglich. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist aber auch die Sternschaltung oder Dreieckschaltung mittels der Leiterplatte 4 bewirkbar.
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Die Kontaktierungsabschnitte 1 und 2 realisieren also Kontaktierungsstellen, die aber auch alternativ durch die Einpresselemente 80 oder durch die Drahtfangelemente 60 realisierbar sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kontaktierungsabschnitt, insbesondere Leiterbahnabschnitt, erster Sorte
- 2
- Kontaktierungsabschnitt, insbesondere Leiterbahnabschnitt, zweiter Sorte
- 3
- Wicklungsdraht
- 4
- Leiterplatte
- 5
- Endkappe aus Kunststoff
- 6
- Klipsverbindungsabschnitt
- 40
- Drahtführungsrillen
- 41
- plattenförmiger Abschnitt, Auflagenabschnitt der Endkappe
- 51
- Drahtführungskanal
- 52
- Führungsabschnitt
- 60
- Drahtfangteil
- 70
- Füßchen, Pin
- 71
- V-förmiger Fangabschnitt
- 72
- Halteabschnitt
- 80
- Einpresselement
- 81
- Füßchen
- 82
- Drahtabschnitt
- 83
- Isolierlackschicht
- 90
- Klipsverbindungsteil mit Vorsprung für Klipsverbindung
- 120
- Metallschicht der Durchkontaktierung
- 121
- erste Leiterbahn
- 122
- zweite Leiterbahn
- 123
- dritte Leiterbahn
- 124
- vierte Leiterbahn
