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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor in Innenläuferbauart nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger, aus dem Stand der Technik allgemein bekannter Elektromotor ist beispielsweise Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug, wie einem Fensterhebermotor, einem Schiebedachantrieb, einem Sitzverstellungsantrieb oder ähnlichem. Er weist ein aus Metall bestehendes Motorgehäuse auf, das auch als Polgehäuse bezeichnet wird. Innerhalb des Motorgehäuses ist ein in einer Achse drehbar gelagerter Rotor angeordnet, an dessen Umfang Magnetelemente angeordnet sind. Die Magnetelemente wirken mit am Innenumfang bzw. an der Innenwand des Motorgehäuses angeordneten Wicklungsdrähten in Form von Spulenspulen zusammen, welche mittels elektronischer Bauelemente bzw. einer elektronischen Schaltung zeitweise angesteuert werden, um den Rotor in Drehbewegung zu versetzen. Die der Ansteuerung der die einzelnen Phasen eines derartigen Drehstrommotors ausbildenden Spulenwicklungen dienenden elektronischen Bauteile, insbesondere Leistungsbauteile, erzeugen während des Betriebs Wärme. Je nach Anwendungsfall sind die üblicherweise auf einem Schaltungsträger bzw. auf einer Leiterplatte angeordneten Bauelemente dabei ohne thermische Ankopplung innerhalb des Motorgehäuses angeordnet, oder aber bei Gefahr einer zu großen Wärmeentwicklung mit einem Kühlkörper oder ähnlichem thermisch verbunden.
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Neben den üblicherweise einen runden Querschnitt aufweisenden Motorgehäusen sind auch Anwendungsfälle bekannt, bei denen das Motorgehäuse im Querschnitt mehreckig, insbesondere sechseckig ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen bürstenlosen Elektromotor in Innenläuferbauart nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine möglichst gute Wärmeabfuhr von den wärmeerzeugenden Bauteile mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem bürstenlosen Elektromotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die wärmeerzeugenden Bauelemente in wärmeleitendem Kontakt mit der Innenseite bzw. der Innenwand des Motorgehäuses angeordnet sind.
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Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass es erfindungsgemäß vorgesehen ist, die wärmeerzeugenden Bauelemente entweder unmittelbar durch Anlage oder aber beispielsweise mittels eines Wärmeleitklebers mit der Innenseite des Motorgehäuses zu verbinden. Dies hat den Vorteil, dass ein unmittelbarer Wärmeübergang von dem Bauelement in dem eine relativ große Masse und somit eine große Kühlwirkung aufweisenden Motorgehäuse erzielt wird. Insbesondere kann dadurch auf separate Kühlelemente wie Kühlkörper oder ähnliches verzichtet werden, die ansonsten den konstruktiven Aufwand sowie die Baugröße des Elektromotors vergrößern.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen bürstenlosen Elektromotors in Innenläuferbauart sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Bei einer Anordnung der Bauelemente auf einen gemeinsamen Schaltungsträger lässt sich ein kompakter und damit platzsparender Aufbau der zur Ansteuerung des Elektromotors dienenden Schaltung erzielen.
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In Weiterbildung des allgemeinen Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass die Bauelemente in Bezug zur Drehachse des Rotors radial nach außen ragend auf dem Schaltungsträger angeordnet sind. Das bedeutet, dass die Bauelemente in radialer Richtung zur Innenwand des Motorgehäuses ragen, um dort mit diesem wärmeleitend verbunden zu sein. Dadurch wird zwischen dem Schaltungsträger und dem Motorgehäuse ein radialer Freiraum ausgebildet, in den die Bauelemente hineinragen.
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In konstruktiver Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags ist es in einer ersten Variante des Schaltungsträgers vorgesehen, dass der Schaltungsträger in Form einer Leiterplatte ausgebildet ist, die mehrere, in einer Achse parallel zur Drehachse des Rotors angeordnete, zueinander knickbare Leiterplattenabschnitte aufweist. Eine derartige Ausführungsform einer an sich bekannten, knickbaren bzw. bereichsweise flexiblen Leiterplatte ermöglicht es, die Bauelemente gemeinsam auf der Leiterplatte zu bestücken, die Leiterplattenabschnitte anschließend in einem Winkel zueinander anzuordnen bzw. zu knicken derart, dass die Bauelemente in ihrer Winkellage zur Innenwand des Motorgehäuses ausgerichtet sind, und zuletzt die Bauelemente in Wirkverbindung mit der Innenwand des Motorgehäuses zu bringen.
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In wiederum besonders bevorzugter konstruktiver Weiterbildung einer mit knickbarem Leiterplattenabschnitten ausgebildeten Leiterplatte ist es vorgesehen, dass Federmittel zum elastischen Aufweiten des Querschnitts einer aus den Leiterplattenabschnitten geformten, einen im Wesentlichen geschlossenen Querschnitt aufweisenden Leiterplatte vorgesehen sind. Derartige Federmittel bewirken, dass sich in der Einbaulage der Leiterplatte in dem Motorgehäuse die Leiterplattenabschnitte bzw. die Bauelemente unter Federkraftwirkung gegen die Innenwand des Motorgehäuses anlegen, um ggf. ohne weitere Hilfsmittel wie einem Wärmeleitkleber die thermische Anbindung an das Motorgehäuse zu ermöglichen. Insbesondere lassen derartige elastische Federmittel auch eine besonders einfache Montage der Leiterplatte in dem Motorgehäuse zu, da beispielsweise bei einer entsprechenden konstruktiven Ausbildung die Leiterplatte bzw. die Bauelemente zur Montage derart angeordnet werden können, dass die der Innenwand des Motorgehäuses zugewandten Flächen der Bauelemente bei der Montage auf einem Teilkreisdurchmesser angeordnet sind, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Motorgehäuses in dem relevanten Bereich. Dadurch lassen sich die Bauelemente zusammen mit der Leiterplatte in axialer Richtung besonders einfach in das Motorgehäuse einführen und nach Lösen eines entsprechenden Werkzeugs durch Einwirken der Federmittel auf die Leiterplatte die Bauelemente in Kontakt mit der Innenwand des Motorgehäuses bringen.
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In einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung des Elektromotors ist es vorgesehen, dass das Motorgehäuse im Querschnitt mehreckig, insbesondere sechseckig ausgebildet ist, und dass die Anzahl der Leiterplattenabschnitte der Leiterplatte der Anzahl der Ecken des Motorgehäuses entspricht, wobei die Leiterplattenabschnitte vorzugsweise parallel zu den ebenen Abschnitten des Motorgehäuses angeordnet sind. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es auf besonders einfache Art und Weise, die Bauelemente mit ihrer der Innenwand des Motorgehäuses zugewandten Seite mit großer Wärmeübertragungsfläche mit dem Motorgehäuse zu verbinden, so dass insbesondere ggf. auf einen Wärmeleitkleber verzichtet werden kann.
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In einer im Vergleich zu einer knickbaren Leiterplatte grundsätzlich anderen konstruktiven Ausbildung der Leiterplatte kann diese auch plattenförmig im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Rotors angeordneter Ebene sein, wobei die Bauelemente radial über die Leiterplatte herausragen. Eine derartige konstruktive Ausbildung der Leiterplatte ermöglicht den Einsatz einer an sich bekannten, konventionellen Leiterplatte, wobei diese dann (üblicherweise) eine mittig angeordnete Durchgangsöffnung zur Durchführung des Rotors aufweisen muss.
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Zur Verbesserung der Wärmeübertragung von den Bauelementen auf das Motorgehäuse, insbesondere wenn die Bauelemente nicht vollflächig an der Innenwand des Motorgehäuses anliegen, ist es vorgesehen, dass die Bauelemente durch ein Wärmeleitelement, insbesondere in Form eines Wärmeleitklebers, mit der Innenwand des Motorgehäuses thermisch verbunden sind.
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Die Anordnung der Bauelemente zum Motorgehäuse erfolgt vorzugsweise dadurch, dass sich die Bauelemente in axialer Richtung an die Spulenwicklungen anschließen, und dass das einstückige Motorgehäuse sowohl den Bereich der Spulenwicklungen als auch den Bereich der Bauelemente umfasst. In der Praxis bedeutet dies, dass das Motorgehäuse in Bezug zu einem konventionellen Motorgehäuse ggf. in axialer Richtung geringfügig verlängert werden muss, da zumindest der für die Anordnung der Bauelemente benötigte axiale Bauraum an dem Motorgehäuse zusätzlich erforderlich ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen stark vereinfachten Längsschnitt durch einen bürstenlosen Elektromotor in Innenläuferbauart,
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2 einen Schnitt in der Ebene II-II der 1,
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3 eine Ansicht in Richtung III-III der 1 bei Verwendung einer knickbaren Leiterplatte als Schaltungsträger für wärmeerzeugende Bauelement und
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4 eine Ansicht in Richtung III-III der 1 bei Verwendung einer ringförmigen Leiterplatte für die wärmeerzeugenden Bauelemente.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist stark vereinfacht ein bürstenloser Elektromotor 10 in Innenläuferbauart dargestellt, wie er insbesondere und nicht einschränkend als Bestandteil eines Komfortantriebs in einem Kraftfahrzeug dient. Unter einem Komfortantrieb im Rahmen der Erfindung wird dabei beispielsweise ein Fensterheberantrieb, ein Sitzverstellungsantrieb, ein Schiebedachantrieb oder ähnliches verstanden.
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Der Elektromotor 10 weist ein aus Metall bestehendes Motorgehäuse 11 auf, das auch als Polgehäuse bezeichnet wird. Wie insbesondere anhand der Darstellung der 2 bis 4 erkennbar ist, ist das Motorgehäuse 11 über dessen gesamte axiale Länge mit einem sechseckigen Querschnitt versehen, wobei die ebenen Wandabschnitte 12 des Motorgehäuses 11 jeweils gleich breit ausgebildet sind, und wobei zwischen den einzelnen Wandabschnitten 12 des Motorgehäuses 11 jeweils ein (Innen-)Winkel α von 120° ausgebildet ist.
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Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, das Motorgehäuse 11 auch mit einem anderen Querschnitt, beispielsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt, oder aber mit einem quadratischen Querschnitt auszubilden. Auch ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Wandabschnitte 12 jeweils dieselbe Breite aufweisen.
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Das Motorgehäuse 11 ist stirnseitig mittels jeweils eines Gehäusedeckels 13, 14 verschlossen. Innerhalb des Motorgehäuses 11 ist beispielhaft in zwei Lagerelementen 15, 16 ein Rotor 18 drehbeweglich angeordnet, dessen Rotorwelle 19 im Bereich des einen Gehäusedeckels 13 diesen durchdringt und als Abtriebswelle aus dem Elektromotor 10 herausragt. Dort ist die Rotorwelle 19 zumindest mittelbar mit dem zu verstellenden Element, im Falle eines Komfortantriebs also beispielsweise mit einem Sitz oder ähnlichem verbunden.
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Der Rotor 18 trägt in bekannter Art und Weise wenigstens zwei Magnetelemente 21, 22 („2-Pol-Motor“), wie dies anhand der 2 erkennbar ist. Weiterhin sind im Bereich der Magnetelemente 21, 22 an der Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 mehrere Spulenwicklungen 24, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Spulenwicklungen 24, angeordnet, wobei die Spulenwicklungen 24 im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils mittig im Bereich der jeweiligen Wandabschnitte 12 angeordnet sind.
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Zur elektrischen Kommutierung bzw. Ansteuerung der Spulenwicklungen 24 weist der Elektromotor 10 eine im Einzelnen nicht gezeigte elektrische bzw. elektronische Schaltung auf, die beispielhaft für jede der Spulenwicklungen 24 ein wärmeerzeugendes (Leistungs-)Bauelement 25 umfasst. Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die sechs Bauelemente 25 auf einem gemeinsamen Schaltungsträger 26 in Form einer Leiterplatte 27 angeordnet. Die Leiterplatte 27 ist als sogenannte knickbare Leiterplatte 27 ausgebildet und weist sechs jeweils ebene Leiterplattenabschnitte 28 auf, die im Bereich jeweils einer Knicklinie 29, die parallel zur Drehachse 31 des Rotors 18 verläuft, gelenkig miteinander verbunden sind. Die einzelnen Leiterplattenabschnitte 28 sind in ihrer Breite derart dem Querschnitt des Motorgehäuses 11 angepasst, dass die Leiterplattenabschnitte 28 parallel zu den Wandabschnitten 12 des Motorgehäuses 11 verlaufen. Dies hat zur Folge, dass der Querschnitt der Leiterplatte 27 ebenfalls im Wesentlichen geschlossen und sechseckig ist, wobei zwischen zwei der Leiterplattenabschnitte 28, die beim Knicken der Leiterplatte 27 freie Stirnseiten der Leiterplatte 27 ausbilden, Federmittel 33 angeordnet sind. Die Federmittel 33 bewirken eine elastische Aufweitung der einzelnen Leiterplattenabschnitte 28 zueinander bzw. eine Vergrößerung des Außenumfangs der Leiterplatte 27 im Einbauzustand in dem Motorgehäuse 11.
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Die Bauelemente 25 sind auf der der Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 zugewandten Seite der einzelnen Leiterplattenabschnitte 28 mit diesen verbunden, so dass entsprechend der Darstellung der 3 die Bauelemente 25 von der Leiterplatte 27 bzw. den Leiterplattenabschnitten 28 radial in Richtung der Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 abragen. Vorzugsweise ist die Anordnung bzw. Bauart der Bauelemente 25 derart, dass die Bauelemente 25 mit einer Kontaktfläche 34 möglichst vollflächig in wärmeleitendem Kontakt an der Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 im Einbauzustand anliegen. Dadurch wird durch die Federkraft der Federmittel 33 auch ohne ein Wärmeleitelement wie einem Wärmeleitkleber eine Ableitung der Wärme der Bauteile 25 an das Motorgehäuse 11 ermöglicht.
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Zum Einbau des Schaltungsträgers 26 wird beispielsweise der Rotor 18 zusammen mit dem Schaltungsträger 26 und den mit den Spulenwicklungen 24 zumindest mittelbar elektrisch leitend verbundenen Bauelementen 25 als Baueinheit in axialer Richtung in das Motorgehäuse 11 eingeschoben. Dabei wird durch ein entsprechendes Hilfswerkzeug die Leiterplatte 27 derart zusammengedrückt, dass in Folge der elastischen Federmittel 33 die Bauelemente 25 im Bereich der Kontaktflächen 34 ohne die Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 zu berühren axial in das Motorgehäuse 11 eingeschoben werden können, bis die Bauelemente 25 ihre axiale Soll-Position in dem Motorgehäuse 11 erreicht haben. Anschließend wird durch Entfernen des Hilfswerkzeugs über die Federmittel 33 eine elastische Aufweitung der einzelnen Leiterplattenabschnitte 28 zueinander bewirkt, welche eine Anlage der Kontaktflächen 34 der Bauelemente 25 an der Innenwand 23 zur Folge hat.
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In der 4 ist ein gegenüber 3 abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei ist die ebene Leiterplatte 27a beispielhaft ringförmig ausgebildet, d.h., dass sie eine Durchgangsöffnung 35 zur Durchführung des Rotors 18 aufweist. Die (konventionelle) Leiterplatte 27a ist mit ihrer Ebene zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 31 des Rotors 18 angeordnet. Auf einer Stirnfläche 37 der Leiterplatte 27a sind die Bauelemente 25 radial nach außen ragend angeordnet bzw. befestigt, derart, dass die Kontaktflächen 34 der Bauelemente 25 vorzugsweise parallel zu den Wandabschnitten 12 des Motorgehäuses 11 verlaufen. Zwischen den einzelnen Kontaktflächen 34 der Bauelemente 25 und der Innenwand 23 des Motorgehäuses 11 ist zur Ermöglichung einer möglichst einfachen Montage jeweils ein Spalt 38 ausgebildet, der zur Ausbildung einer thermisch leitenden Verbindung zwischen den Bauelementen 25 und dem Motorgehäuse 11 im Einbauzustand mit einem Wärmeleitelement, insbesondere einem Wärmeleitkleber 39 überbrückt ist.
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Der soweit beschriebene Elektromotor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
