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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
DE 10 2011 084 763 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der ein Stator in einen Poltopf angeordnet ist. Auf dem Poltopf ist ein Deckelteil angeordnet, das ein Lager für die Rotorwelle aufweist. Das Deckelteil ist hierbei aus Kunststoff gefertigt und weist elektrische Leiterelemente zur Kontaktierung der elektrischen Wicklung des Stators auf. Das Deckelteil weist auch eine seitliche Erweiterung auf, die als Anschlussstecker ausgebildet ist. An einem freien Ende der Rotorwelle ist ein Signalgeber für eine Rotorlageerkennung angeordnet. Axial gegenüberliegend zum Signalgeber ist eine Leiterplatte angeordnet, auf der ein nicht näher dargestelltes Sensorelement zur Signalauswertung angeordnet ist. Nachteil einer solchen Ausführung ist, dass eine solche Leiterplatte nicht für die Anwendung bei hohen Temperaturen geeignet ist, da sich dann die Lötverbindungen auf der Leiterplatte lösen können. Außerdem besteht die Gefahr, dass bei einer hohen Schüttelbelastung der elektrischen Maschine die elektrischen Kontakte zwischen der Leiterplatte und den Leiterelementen des Kunststoff-Lagerschilds zerstört werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteil der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil,
dass durch die direkte elektrische Kontaktierung des Magnetfeldsensors mit den Stecker-Pins des Steckergehäuses auf eine Leiterplatine vollständig verzichtet werden kann. Dies spart Kosten, und andererseits kann eine solche elektrische Maschine bei höheren Temperaturen betrieben werden, als entsprechende Maschinen mit einer Leiterplatine. Damit die elektrische Maschine auch hohen Schüttelbelastungen standhält, ist das Sensorelement direkt an der Innenwand des Steckergehäuses fixiert. Durch den Verzicht auf einen separaten Träger für das Sensorelement wird eine mögliche Quelle von Schwingungsanregungen des Magnetsensors eliminiert.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den abhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Besonders vorteilhaft ist die Befestigung des Magnetfeldsensors am Steckergehäuse mittels eines Klebstoffes, der auch für hohe Temperaturen geeignet ist. Dadurch kann der Magnetfeldsensor flächig an der Innenseite des Steckergehäuses anliegen, wodurch eine feste Verbindung entsteht, die auch bei hohen Temperaturen und hohen Vibrationen beständig bleibt.
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Um den Magnetsensor gegenüber dem Signalgeber der Rotorwelle zu justieren, sind am Steckergehäuse Führungsrippen ausgebildet, die den Sensor beim axialen Einfügen in das Steckergehäuse richtig positionieren. Dabei sind die Führungsrippen als eine Art Einführschräge ausgebildet. Bevorzugt können die Führungsrippen gleichzeitig als radiale Anlagefläche für den Magnetsensor ausgebildet sein, um diesen im Steckergehäuse zu verspannen.
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Um den Magnetfeldsensor während des Klebeprozesses zuverlässig in Position zu halten, ist eine elastisch ausgebildete Quetschrippe am Steckergehäuse ausgebildet, die sich beim Einfügen des Magnetfeldsensors unter Ausübung einer Einspannkraft verformt.
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Bezüglich der Temperatur- und Erschütterungsbeständigkeit ist es besonders günstig, die Anschluss-Beinchen des Magnetfeldsensors direkt mit den Stecker-Pins zu verschweißen. Da dieser Schweißprozess vor der Montage des Steckergehäuses durchgeführt wird, sind die Schweißbereiche für die Schweißwerkzeuge frei zugänglich, so dass problemlos die elektrischen Verbindungen mittels Widerstands- oder Laserschweißen hergestellt werden können.
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Da der Magnetfeldsensor mit seinem Sensorgehäuse flächig an der Innenseite des Steckergehäuses anliegt, erstrecken sich auch die Anschlussbeinchen vorteilhaft parallel zur Innenseite des Steckergehäuses, die in diesem Bereich etwa senkrecht zur Rotorwelle verläuft. Dabei können die Anschluss-Beinchen gleich zur Stelle der Durchführung der Stecker-Pins von der Innenseite zum Anschlussstecker hin ausgerichtet werden.
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Besonders günstig sind die Stecker-Pins als von dem Steckergehäuse umspritzte Einlegeteile ausgebildet, die an der Innenseite des Steckergehäuses axial aus der Innenwand austreten. Bei dieser Anordnung verlaufen die Anschluss-Beinchen quer zu den Einlege-Leitern. In einer ersten Variation können die Anschluss-Beinchen direkt an die Stirnseiten der Einlege-Leiter angelegt und mit diesen verschweißt werden. Bei einer solchen winklig zueinander angeordneten Ausführung kann dabei vorteilhaft ein Gabelkontakt zur besseren Kontaktierung ausgebildet werden. In einer alternativen Ausführung können die Anschluss-Beinchen in Axialrichtung umgeknickt werden, so dass sich diese parallel zu den Einlege-Leitern erstrecken. Bei einer weiteren Variation werden die Einlege-Leiter quer zur Rotationsachse abgeknickt und verlaufen dann näherungsweise parallel zu den Anschluss-Beinchen.
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In einer bevorzugten Ausführung ist an der Innenseite des Steckergehäuses ein Kondensator befestigt, der mit einem ersten Kondensatoranschluss an einem Kondensatorkontakt angeschlossen. Der Kondensatorkontakt ist ebenfalls als Einlege-Leiter ausgebildet und ist mit zumindest einem der Einlege-Leitern verbunden, der mit einem Anschluss-Beinchen des Magnetfeldsensors kontaktier ist. Besonders vorteilhaft kann der Kondensator in eine hülsenförmige Umrandung an der Innenseite des Steckergehäuses eingeklebt werden.
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Im gleichen Fertigungsprozess mit dem Umspritzen der Einlege-Leiter für den Magnetfeldsensor werden gleichzeitig auch die Stecker-Pins mit dem Steckergehäuse umspritzt, die später zur Stromversorgung der elektrischen Spulen mit Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte elektrisch verbunden werden.
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Dabei stehen diese Stecker-Pins ebenso wie die Einlege-Leiter für den Magnetfeldsensor und den Kondensatorkontakt bevorzugt axial von der Deckelfläche des Steckergehäuses nach innen ab.
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Der Signalgeber kann in einfacher Weise auf das freie Ende der Rotorwelle aufgesteckt werden, so dass dessen Sensormagnet direkt axial gegenüber dem Magnetfeldsensor liegt. Dabei erstreckt sich der Sensormagnet bevorzugt flächig quer zur Rotationsachse, so dass ein möglichst großer Überlapp mit der magnetfeldsensitiven Oberfläche des Magnetfelds gebildet wird.
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Um das Steckergehäuse in einer eindeutigen Drehlage gegenüber dem Poltopf zu positionieren, sind an dem Lagerschild, das am Poltopf befestigt ist, axial nach oben abstehende Zentrierelemente ausgebildet. Diese Zentrierelemente greifen in entsprechende Gegenelemente im Steckergehäuse, so dass keine Verdrehung des Steckergehäuses gegenüber dem Poltopf möglich ist. In analoger Weise können Zentrierelemente an dem Lagerschild axial nach unten abstehen, um mit Gegenelementen der Verschaltungsplatte des Stators zusammenzuwirken, um eine eindeutige Drehlage der Verschaltungsplatte gegenüber dem Poltopf herzustellen. Durch diese Zentrierung ist gewährleistet, dass die Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte nach der Montage des Steckergehäuses direkt an den Stecker-Pins der Stromversorgung anliegen.
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Die Schweißverbindung zwischen den Stecker-Pins für die Stromkontakte und den Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte können vorteilhaft mittels Schweißwerkzeugen ausgeführt werden, die radial durch entsprechende radiale Fenster im Steckergehäuse eingreifen können. Ebenso kann auf diese Weise der freie Kondensatoranschluss mit einem Massekontakt des Lagerschilds verschweißt werden.
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Um hohen Schüttelbelastungen zu genügen, liegt das Steckergehäuse axial am Flansch des Poltopfes an und wird durch einen Metalldeckel, der über das Steckergehäuse gestülpt wird, auf dem Poltopf gehalten. Dazu wird der Metalldeckel bevorzugt mit dem Poltopf verschweißt. Der Anschluss-Stecker ragt dabei axial nach oben durch eine entsprechende Aussparung im Metalldeckel. Um unterschiedliche Temperaturausdehnungen der einzelnen Bauteile über einen großen Temperaturbereich auszugleichen, ist zwischen dem Steckergehäuse und dem Metalldeckel eine vorgespannte Axialfeder angeordnet, die das Steckergehäuse ständig gegen den Poltopf presst. Ebenso ist um den Anschluss-Stecker herum eine Ringdichtung zwischen dem Steckergehäuse und dem Metalldeckel angeordnet, die den Anschluss-Stecker zuverlässig gegenüber dem Gehäuse der elektrischen Maschine abdichtet.
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Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren für die elektrische Maschine hat den Vorteil, dass durch die Vormontage des Magnetfeldsensors an der Innenseite des Steckergehäuses nach dem Fügen des Steckergehäuses auf den Poltopf nur noch die Stecker-Pins der Stromkontakte und gegebenenfalls ein Kondensatoranschluss elektrisch mit dem Stator verbunden werden muss. Dabei können die Kontaktlaschen der Stromversorgung in einfacher Weise mit den Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte verschweißt werden. Nach dem gleichen Prinzip kann gegebenenfalls der Kondensatorkontakt mit dem Massekontakt des Lagerschilds verbunden werden. Dadurch, dass bei diesem Verfahren alle elektrischen Kontakte sowohl der Strom-Pins auch der Sensor-Pins geschweißt werden können, ist eine solche elektrische Maschine auch für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen und hohen äußeren Beschleunigungen geeignet.
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Mit dem Verschweißen des Lagerschilds am Polgehäuse kann eine vorgefertigte Baueinheit gebildet werden, bei der der Rotor vollständig axial und radial gelagert ist. Durch das Einfügen der Statorelemente und des Rotors in den Poltopf kann durch die Montage von axialen Federelemente eine Vibrationsdämpfung erzielt werden, die auch bei großen Schüttelbelastungen über die gesamte Lebenszeit der elektrischen Maschine standhält. Das Verschweißen des Lagerschilds versteift den Gesamtaufbau der elektrischen Maschine und gewährt die Wärmeableitung aus den elektrischen Wicklungen, wodurch eine Überhitzung des Magnetfeldsensors vermieden wird. Durch das Anschweißen des Metalldeckels an das Polgehäuse wird das Steckergehäuse mit dem Sensor durch das axiale Federelement in konstant gleichbleibendem Abstand zum Signalgeber gehalten, so dass das Sensorsignal der Rotorlageerfassung über alle Betriebsbedingungen konstant gut bleibt. Bei diesem Fertigungsverfahren können alle Prozess-Schritte in axialer Richtung ausgeführt werden, was den Aufbau der Fertigungsstraßen deutlich vereinfacht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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2 eine Draufsicht auf die Innenseite des Steckergehäuses gemäß 1,
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3 eine Schnittdarstellung durch das Steckergehäuse gemäß 1,
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4a–c schematisch alternative Ausführungen der Sensorkontaktierung,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer fertig montierten elektrischen Maschine 10, bei der ein Stator 16 in einem Gehäuse 14 einer elektrischen Maschine 10 eingesetzt ist. Dabei weist der Stator 16 Spulenträger 36 auf, die beispielsweise als separate Einzelsegmente 62 ausgebildet sind, und mit elektrischen Wicklungen 17 bewickelt sind. Dabei dient das Gehäuse 14 als Poltopf 15, der einen magnetischen Rückschluss für die elektrischen Wicklungen 17 bildet. Der Poltopf 15 weist an seinem offenen Ende einen Flansch 32 auf, auf den weitere Bauteile aufgesetzt sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Poltopf 15 an seiner Bodenfläche 40 eine Öffnung auf, durch die eine Rotorwelle 20 hindurch ragt, um ein Drehmoment der elektrischen Maschine 10 über ein Abtriebselement 64 an ein nicht dargestelltes Getriebeelement zu übertragen. An der Bodenfläche 40 ist ein erster Lagersitz 70 ausgeformt, in dem ein erstes Wälzlager 72 eingefügt ist. Der Innenring 73 des ersten Wälzlagers 72 ist dabei fest mit der Rotorwelle 20 verbunden. Somit bildet das erste Wälzlager 72 ein Festlager für den Rotor 18. Der Rotor 18 weist einen Rotorkörper 65 auf, der Permanentmagnete 68 trägt, die mit den elektrischen Wicklungen 17 zusammenwirken. Der Rotorkörper 65 besteht beispielsweise aus einzelnen, gestapelten Lamellenblechen 66, in denen Aussparungen 67 für die Permanentmagnete 68 ausgestanzt sind. Die Spulendraht-Enden 19 der Wicklungen 17 ragen in Axialrichtung 4 über die elektrischen Spulen 63 hinaus. Eine Verschaltungsplatte 22 ist axial auf den Stator 16 aufgesetzt, wobei aus einem Kunststoffkörper 21 ragende Leiterelemente 23 an Befestigungsabschnitten 25 mit dem Spulendraht der Spulen 63 verbunden sind. Dabei sind die elektrischen Verbindungen zwischen dem Spulendraht und den Befestigungsabschnitten 25 beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten oder Vercrimpen gebildet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen genau drei Leiterelemente 23 jeweils einen Anschluss-Pin 26 für die Phasen U, V und W auf. Der Kunststoffkörper 21 stützt sich in Axialrichtung 4 über angeformte Abstandshalter 42 am Stator 16 ab. Die Abstandshalter 42 der Verschaltungsplatte 22 sind an deren radial äußerem Rand angeformt. Im Ausführungsbeispiel liegen die Abstandshalter 42 an den Spulenträger-Elementen 36 an, auf die die elektrischen Wicklungen 17 gewickelt sind. Die Spulenträger-Elemente 36 sind hier als Einzelsegmente 62 für jede Spule 63 ausgebildet. Dabei ist auf den Spulenträger-Elementen 36 jeweils eine Isoliermaske 61 für die elektrische Wicklungen 17 angeordnet. Der Kunststoffkörper 21 ist ringförmig ausgebildet, so dass in seiner mittleren Ausnehmung 44 die Rotorwelle 20 des Rotors 18 hindurchragt.
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Axial oberhalb der Verschaltungsplatte 22 ist ein Lagerschild 54 angeordnet, das an seinem radial äußeren Rand mit dem Poltopf 15 verschweißt ist. Das Lagerschild 54 weist einen zweiten Lagersitz 55 auf, der axial in die mittlere Ausnehmung 44 der Verschaltungsplatte 22 eingreift. Im zweiten Lagersitz 55 ist ein zweites Wälzlager 56 aufgenommen, mittels dessen die Rotorwelle 20 drehbar im Stator 16 gelagert ist. Das zweite Wälzlager 56 ist beispielsweise als Kugellager ausgebildet und stellt ein Loslager für den Rotor 18 dar. Dabei ist ein Außenring 58 des zweiten Wälzlagers 56 drehfest im zweiten Lagersitz 55 und der Innenring 57 axial verschiebbar auf der Rotorwelle 20 befestigt. Das zweite Wälzlager 56 ist dabei axial in etwa der gleichen Ebene wie die Verschaltungsplatte 22 angeordnet, so dass die elektrische Maschine 10 in Axialrichtung 4 sehr kompakt ausgebildet ist. Das Lagerschild 54 weist im Ausführungsbeispiel einzelne radiale Stege 59 auf, zwischen denen hindurch die als Aufnahmehülsen 27 ausgebildeten Befestigungsabschnitte 25 axial nach oben ragen. In Löchern der Aufnahmehülsen 27 sind Spulendraht-Enden 19 der Spulen 63 eingefügt, die beispielsweise in Axialrichtung 4 geringfügig nach oben über die Aufnahmehülse 27 – und vorzugsweise über das Lagerschild 54 – hinaus stehen. Ebenso erstrecken sich die Anschluss-Pins 26 von dem Kunststoffkörper 21 durch das Lagerschild 54 hindurch, um mit entsprechenden Kontakten 30 des Anschluss-Steckers 37 verbunden werden zu können. In der Schnittdarstellung durch den Kunststoffkörper 21 sind Verbindungsabschnitte 24 verschiedener Leiterelemente 23 im Querschnitt erkennbar. Die abgeflachten Querschnitte sind sowohl bezüglich der Axialrichtung 4, als auch gegenüber der Radialrichtung 3 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch können beispielsweise vier einzelne Leiterelemente 23 in genau zwei axialen Ebenen 8, 9 angeordnet werden. Im der Schnittdarstellung sind axiale Kanäle 28 im Kunststoffkörper 21 zu sehen, die von Haltewerkzeugen für die Leiterelemente 23 im Spritzguss-Werkzeug herrühren. Die Verschlatungsplatte 22 wird zur Vibrationsdämpfung von axialen Federmitteln 246 vom Lagerschild 54 axial nach unten gegen die Spulenträger 36 gepresst. Die Federmittel 246 sind beispielsweise als axialer Federring ausgebildet, der die Rotorwelle 20 umschließt. Der Federring ist bevorzugt als Wellscheibe 250 ausgebildet, die sich axial am Lagerschild 54 und an der Verschaltungsplatte 22 abstützt. Das Federmittel 246 erzeugt eine axiale Vorspannung, die die Verschaltungsplatte 22 auch über einen großen Temperaturbereich und bei großen Schüttelbelastungen exakt positioniert hält. Der Rotor 18 ist axial gegenüber dem zweiten Wälzlager 56 mittels einer Druckfeder 86 vorgespannt. Die Druckfeder 86 stützt sich einerseits am Rotorkörper 65 und andererseits am Innenring 57 des zweiten Wälzlagers 56 ab.
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Oberhalb des Lagerschilds 54 ist ein Steckergehäuse 33 angeordnet, an dem ein nicht näher dargestellter äußerer Anschluss-Stecker 37 zur Stromversorgung der elektrischen Maschine 10 angeordnet ist. Am Steckergehäuse 33 sind an dessen Innenseite 29 die elektrischen Kontakte 30 angeordnet, die mit den Anschluss-Pins 26 der Verschaltungsplatte 22 verbunden sind. Die Verschaltungsplatte 22 ist sowohl mit den Spulendraht-Enden 19 als auch mit den elektrischen Kontakten 30 des Anschluss-Steckers 37 verbunden ist. Beispielsweise erstrecken sich die elektrischen Kontakte 30 als Kontaktlaschen 34 axial nach unten, so dass sie unmittelbar benachbart zu den Anschluss-Pins 26 angeordnet sind und dann beispielsweise miteinander verschweißt werden. Um die korrekte Lage der Anschluss-Pins 26 in Umfangsrichtung 2 zu gewährleisten, weist sowohl die Verschaltungsplatte 22 gegenüber dem Stator 16 als auch gegenüber dem Lagerschild 54 Positionierungselemente auf, die mit entsprechenden Gegenelementen zusammenwirken. Ebenso ist das Steckergehäuse 33 gegenüber dem Lagerschild 54 mittels einer Drehsicherung 103, 102 positioniert. Im Steckergehäuse 33 ist ein Sensorelement 74 befestigt, das mit einem Signalgeber 75 auf der Rotorwelle 20 zusammenwirkt, um deren Rotorlage zu erfassen. Dazu wird nach der Montage des Lagerschilds 54 ein Magnethalter 78 am freien Ende 80 der Rotorwelle 20 aufgepresst, der einen Sensormagnet 76 aufnimmt. Dessen rotierendes Magnetfeld wird vom Sensorelement 74 erfasst, das als hochauflösender Magnetfeldsensor 77 ausgebildet ist. Auf das Steckergehäuse 33 ist ein Metalldeckel 81 gefügt, der am Flansch 32 des Poltopfes 15 dicht festgeschweißt ist. Sowohl das Steckergehäuse 33 als auch der Metalldeckel 81 weisen jeweils eine kreisförmige Umfangswand 82, 83 auf, die radial nebeneinander angeordnet sind. Zwischen dem Steckergehäuse 33 und der Innenwand des Metalldeckels 81 ist ein Dichtring 84 eingepresst, der die elektrische Maschine 10 zum Anschluss-Stecker 37 hin abdichtet. Des Weiteren ist zwischen dem Steckergehäuse 33 und der dem Metalldeckel 81 ein axiales Federelement 85 angeordnet, das das Steckergehäuse 33 axial gegen den Flansch 32 des Poltopfes 15 presst.
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2 zeigt eine Sicht in das Steckergehäuse 33, bevor dieses auf den Poltopf 15 aufgesetzt wird. Der Anschluss-Stecker 37 der an der Außenseite des Steckergehäuses 33 axial absteht, ist bei dieser Darstellung nicht sichtbar. In das Steckergehäuse 33 sind elektrische Kontakte 30 mit dem Kunststoffmaterial der Deckelwand 117 des Steckergehäuses 33 umspritzt. Dabei bilden die Strom-Pins 43 an der Innenseite 29 der Deckelwand 117 Kontaktlaschen 34, die axial nach unten abstehen. Die Kontaktlaschen 34 weisen bevorzugt einen elastischen Bereich 118 auf, um das Verschweißen der Kontaktlaschen 34 mit den entsprechenden Anschluss-Pins 26 der Verschaltungsplatte 22 zu erleichtern. Zusammen mit den federnden Bereichen, mit denen die Anschluss-Pins 26 an der Verschaltungsplatte 22 angeformt sind, können diese unterschiedliche Temperaturausdehnungen über einen großen Temperaturbereich ausgleichen. Im Ausführungsbeispiel sind genau drei Kontaktlaschen 34 ausgebildet, die am Anschluss-Stecker 37 die drei Strom-Pins für die drei Phasen U, V und W bilden. Des Weiteren stehen an der Innenseite 29 des Steckergehäuses 33 Einlege-Leiter 116 ab, die an ihren gegenüberliegenden Enden im Anschluss-Stecker 37 die Sensor-Pins 41 bilden. Die Einlege-Leiter 116 treten hier axial aus der Deckelwand 117 aus und weisen an ihren Enden eine Gabel 114 auf, in die Anschluss-Beinchen 106 des Sensorelements 74 eingelegt sind. Die Anschluss-Beinchen 106 verlaufen hierbei entlang der Innenseite 29 der Deckelwand 117 quer zur Rotorachse 4. Die Anschluss-Beinchen 106 sind dann in den Gabeln 114 der Einlege-Leiter 116 festgeschweißt, vorzugsweise mittels Widerstandsschweißen. Damit genügend Platz für die Schweißwerkzeuge zur Verfügung steht, sind die Einlege-Leiter 116 in zwei Reihen, von beispielsweise je drei elektrischen Kontakten 30 angeordnet. Dadurch ist ein Teil der Anschluss-Beinchen 106 kürzer und ein anderer Teil länger ausgebildet. Das Sensorelement 74 weist ein Sensorgehäuse 79 auf, aus dem die Anschluss-Beinchen 106 seitlich austreten. Das Sensorgehäuse 79 ist dabei in etwa rechteckförmig ausgebildet, so dass sich seine Grundfläche 115 näherungsweise parallel zur Deckelwand 117 erstreckt. Das Sensorgehäuse 79 ist innerhalb eines Aufnahme-Rahmens 119 angeordnet, der an der Innenseite 29 der Deckelwand 117 ausgebildet ist. Dieser Aufnahme-Rahmen 119 bildet einen Formschluss mit dem Sensorgehäuse 79 bezüglich der Radialrichtung 3. Im Ausführungsbeispiel weist das Sensorgehäuse 79 eine abgeschrägte Ecke 121 auf, die formschlüssig in die Abschrägung 122 des Aufnahme-Rahmens 119 eingreift. Zur Montage des Sensorelements 74 in das Steckergehäuse 33 sind an der Innenseite 29 Führungsrippen 104 ausgeformt, an denen das Sensorgehäuse 79 in den Aufnahme-Rahmen 119 gleitet. Dabei wird das Sensorgehäuse 79 in Axialrichtung 4 montiert, so dass die Führungsrippen 104 Einführschrägen in Axialrichtung 4 bilden. Im Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei rechtwinklig zueinander ausgebildete Führungsrippen 104 angeordnet, die das Sensorgehäuse 79 an seiner exakten axialen Lage positionieren. Am Aufnahme-Rahmen 119 ist eine Quetschrippe 105 ausgebildet, die das Sensorgehäuse 79 im Aufnahme-Rahmen 119 fixiert, bis das Sensorelement 74 fest im Steckergehäuse 33 eingeklebt ist.
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Dazu ist in 3 ein Schnitt durch das Steckergehäuse 33 gemäß 2 dargestellt. Zwischen der Grundfläche 115 des Sensorgehäuses 79 und der Innenseite 29 des Steckergehäuses 33 ist Klebstoff 123 angeordnet, mittels dem das Sensorelement 74 fest am Steckergehäuse 33 festgeklebt ist. Auf der linken Seite ist im Schnitt die Quetschrippe 105 dargestellt, die das Sensorgehäuse 79 in Radialrichtung 3 gegen die gegenüberliegende Seite des Aufnahmerahmens 119 presst. In diesem Bereich sind auch die zwei winklig zueinander angeordneten Führungsrippen 104 dargestellt, mittels derer zuvor das Sensorgehäuse 79 exakt innerhalb des Aufnahmerahmens 119 radial positioniert wurde. In 3 stützt sich die Grundfläche 115 an Auflageflächen 125 des Steckergehäuses 33 ab, wobei dazwischen ein Hohlraum 124 für den Klebstoff 123 ausgebildet ist. Die Anschluss-Beinchen 106 erstrecken sich parallel zur Deckelwand 117 und sind in die Gabeln 114 der Einlege-Leiter 116 eingeschweißt. Die Einlege-Leiter 116 sind mit dem Kunststoffmaterial des Steckergehäuses 33 umspritzt und bilden an ihren gegenüberliegenden Enden die Sensor-Pins 41 des Anschluss-Steckers 37.
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In 2 ist des Weiteren ein Entstörkondensator 111 an der Innenseite 29 des Steckergehäuses 33 befestigt. Hierzu ist an der Innenseite 29 eine Kondensatoraufnahme 126 ausgebildet, in die der Entstörkondensator 111 eingeklebt ist. Die Kondensatoraufnahme 126 ist hier in Form einer axialen Hülse ausgebildet, die den Klebstoff zur Befestigung des Entstörkondensators 111 aufnimmt. Ein erster Kondensatoranschluss 127 ist mit einem Kondensatorkontakt 108 elektrisch verbunden, der ebenfalls als Einlegeteil in das Steckergehäuse 33 eingespritzt ist. Der Kondensatorkontakt 108 ist dabei elektrisch mit dem Sensorelement 74 verbunden. Dazu weist zumindest ein Einlege-Leiter 116 für die Anschluss-Beinchen 106 eine elektrische Verbindung zum Kondensatorkontakt 108 auf. Der zweite Kondensatoranschluss 134 bleibt bei diesem Vormontageschritt als freier Anschlussdraht 134 ausgebildet und wird erst nach dem Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf den Poltopf 15 mit einem entsprechenden Massekontakt des Lagerschilds 54 elektrisch verbunden.
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Alternativ ist gemäß 6 der zweite Kondensatorkontakt 134 mit einem Kontaktelement 260 verbunden, bevorzugt mittels einer Schweißverbindung 135 an einer Kontaktzunge 272 des Kontaktelements 260. Das Kontaktelement 260 ist am Steckergehäuse 33 befestigt – beispielsweise in dieses eingespritzt. Auf das Kontaktelement 260 wird dann eine Kontaktfeder 262 gefügt, und dadurch elektrisch mit dem Kontaktelement 260 verbunden. Die Kontaktfeder 262 erstreckt sich in Axialrichtung 4 zum Lagerschild 54 hin. In 6 ist die Kontaktfeder 262 als Spiralfeder ausgebildet, die unmittelbar auf einen sich axial verjüngenden Fortsatz 263 des Kontaktelements 260 aufgeschoben ist. Wird das Steckergehäuse 33 mit dem Kontaktelement 260 auf den Poltopf 15 aufgesetzt, drückt die Kontaktfeder 262 axial gegen das Lagerschild 54 und stellt dadurch einen Massekontakt 95 zum Polgehäuse 15 her. Anstelle der separaten Kontaktfeder 262 kann gemäß 7 auch das Kontaktelement 260 einen integrierten Federarm 264 aufweisen, der sich in Axialrichtung 4 erstreckt und beim Aufsetzen auf den Poltopf 15 somit das Kontaktelement 260 direkt den Massekontakt 95 mit dem Lagerschild 54 ausbildet. Der zweite Kondensatorkontakt 134 wiederum bevorzugt mittels einer Schweißverbindung 135 an der Kontaktzunge 272 des Kontaktelements 260 kontaktiert.
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In 4 sind mehrere Varianten der elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 74 mit den Einlege-Leitern 116 des Steckergehäuses 33 dargestellt. In 4a verlaufen die Einlege-Leiter 116 in Axialrichtung 4 von der Deckelwand 117. Die Anschluss-Beinchen 106 des Sensorelements 74 sind hierbei alle in etwa rechtwinklig abgebogen, so dass diese auch in Axialrichtung 4 verlaufen. Dadurch verlaufen die Anschluss-Beinchen 106 im Kontaktierungsbereich 107 mit den Einlege-Leitern 116 parallel zueinander und können in dieser Weise miteinander verschweißt werden. Die Einlege-Leiter 116 sind wiederum – wie auch in 4b und 4c – in Radialrichtung 3 versetzt zueinander angeordnet, um den Schweißvorgang zu vereinfachen. In 4b erstrecken sich die freien Enden der Einlege-Leiter 116 wiederum in Axialrichtung 4. Die Anschluss-Beinchen 106 verlaufen quer dazu (in Radialrichtung 3), so dass diese an den freien Stirnflächen 130 der Einlege-Leiter 116 anliegen. Hierbei werden also die Anschluss-Beinchen 106 direkt an die freien Stirnflächen 130 der Einlege-Leiter 116 angeschweißt. Bei der Variante gemäß 4c sind die Einlege-Leiter 116 abgewinkelt, so dass sich deren Enden quer zur Axialrichtung 4 erstrecken. Da die Anschluss-Beinchen 106 sich ebenfalls quer zur Axialrichtung 4 erstrecken, liegen diese parallel an den Enden der Einlege-Leiter 116 an und werden entsprechend miteinander verschweißt. Dabei können die Enden der Einlege-Leitern 116 radial vom Sensorgehäuse 79 weg oder auch auf das Sensorgehäuse 79 hin abgewinkelt sein. (linker Einlege-Leiter 109 in 4c). Die Anschluss-Beinchen 106 sind gegebenenfalls innerhalb der Ebene quer zur Axialrichtung 4 voneinander abgespreizt, um genügend Platz für den Schweißprozess zur Verfügung zu stellen. In 4 ist auch erkennbar, dass seitlich aus dem Sensorgehäuse 79 noch Metallkontakte 97 austreten. Diese sind die Reste des abgetrennten Lead-Frame 97, auf dem die entsprechenden Prozessoren innerhalb des Sensorgehäuses 79 angeordnet sind. Zur Herstellung der Sensorelemente 74 werden die Prozessoren elektrisch auf dem Lead-Frame 97 kontaktiert und danach mit dem Sensorgehäuse 79 umspritzt. Zwischen den durch die Umspritzung gebildeten Sensorgehäusen 79 wird dann das Lead-Frame 97 abgetrennt.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer komplett montierten elektrischen Maschine 10 dargestellt. Der Anschluss-Stecker 37 ist axial oberhalb der Deckelwand 117 an der Außenseite des Steckergehäuses 33 angeordnet. Der Anschluss-Stecker 37 ist dabei rechtwinklig in Radialrichtung 3 abgewinkelt, so dass die Strom-Pins 41 und die Sensor-Pins 43 innerhalb des Steckerkragens 132 ebenfalls in Radialrichtung 3 verlaufen. Die Strom-Pins 43 enden an der Innenseite 29 als Kontaktlaschen 34, die mit den Anschluss-Pins 26 der Verschaltungsplatte 22 verbunden sind. Die Sensor-Pins 41 enden an der Innenseite 29 als Einlege-Leiter 116, die mit den Anschluss-Beinchen 106 des Magnetfeldsensors 77 elektrisch kontaktiert sind. Dabei sind die Sensor-Pins 41 und die Strom-Pins 43 jeweils als einstückige Biegestanzteile, bevorzugt aus Kupfer, hergestellt, die beim Spritzgießen des Steckergehäuses 33 in die Werkzeugform eingelegt werden. Nach dem Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf das Lagerschild 54, wird über das Steckergehäuse 33 ein Metalldeckel 81 gefügt, der dann am Poltopf 15 befestigt wird. Der Metalldeckel 81 weist eine zylindrische Wand 82 auf, die das Steckergehäuse 33 über den gesamten Umfang vollständig umschließt. Dabei ist eine Dichtung 84 mit mehreren Dichtlippen radial zwischen der Umfangswand 82 des Metalldeckels 81 und der radialen Außenwand 83 des Steckergehäuses 33 angeordnet. Der Anschluss-Stecker 37 ragt durch eine Aussparung 39, die an der axialen Seite des Metalldeckels 81 ausgeformt ist, aus dem Metalldeckel 81 heraus. Durch die Radialdichtung 84 ist dabei der Anschluss-Stecker 37 gegenüber dem Metalldeckel 81 abgedichtet. Der Metalldeckel 81 wird hingegen dicht mit dem Flansch 32 des Poltopfes 15 verschweißt. Der Magnetfeldsensor 77 ist in der Mitte der Deckelwand 117 axial genau gegenüberliegend zum Sensormagneten 76 angeordnet, der am freien Ende 80 der Rotorwelle 20 befestigt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren der elektrischen Maschine 10 wird zuerst der Stator 16 in den Poltopf 15 eingesetzt. Dazu werden die als Einzelsegmente 62 ausgebildeten Spulenträger 36 mit einer Isolationsmaske 61 bestückt und mit elektrischen Wicklungen 17 bewickelt, bevor diese in das Polgehäuse 15 eingesetzt werden. Danach wird der Rotor 18 axial in den Poltopf 15 eingefügt, so dass die Rotorwelle 20 fest in das erste Wälzlager 72 eingepresst wird. Danach wird die Verschaltungsplatte 22 axial auf den Spulen 63 angeordnet und mit den Spulendraht-Enden 19 elektrisch kontaktiert, bevorzugt verschweißt. Danach wird die Druckfeder 86 axial auf den Rotorkörper 65 gefügt, wobei bei der Montage des Lagerschilds 54 der Innenring 57 die Druckfeder 86 axial vorspannt. Gleichzeitig verspannen die axialen Federmittel 246 das Lagerschild 54 axial gegenüber der Verschaltungsplatte 22. Unter dieser Vorspannung wird das Lagerschild 54 an dessen radial äußeren Enden mit dem Poltopf 15 verschweißt. Dabei greift die erste Zentrierlasche des Lagerschilds 54 in entsprechende Gegenelemente der Verschaltungsplatte 22 ein. Nach dem Festschweißen des Lagerschilds 54 ist der Rotor 18 zuverlässig radial und axial schwingungsgedämpft im Poltopf 15 gelagert. In diesem Zustand stehen die Anschluss-Pins 26 und die zweite Zentrierlasche 102 axial nach oben ab, so dass das Steckergehäuse 33 mit seinem Gegenelement 103 axial auf die Zentrierlasche 102 gefügt werden kann. Dabei liegt das Steckergehäuse 33 axial am Flansch 32 des Poltopfes 15 an. Durch die radialen Fenstern 110 im Steckergehäuse 33 können die Anschluss-Pins 26 mit den elektrischen Kontakten 30 des Steckergehäuses 33 verschweißt werden. Ebenso kann der Entstörkondensator 111 des Steckergehäuses 33 mit dem Massekontakt 95 am Lagerschild 54 verschweißt werden, beziehungsweise die Kontaktfeder 262 oder der Federarm 264 gegen das Lagerschild 54 gepresst werden. Danach wird der Dichtring 84 auf das Steckergehäuse 33 gefügt und bei der Montage des Metalldeckels 81 gegenüber diesem verspannt. Der Metalldeckel 81 liegt wiederum am Flansch 32 an und wird über den gesamten Umfang dicht an den Poltopf 15 angeschweißt. Dadurch ist der nach axial oben abstehende Anschlussstecker 37 zuverlässig gegenüber dem Gehäuse 14 der elektrischen Maschine 10 abgedichtet. Um unterschiedliche Materialausdehnungen der einzelnen Bauteile über einen großen Temperaturbereich auszugleichen, ist zwischen dem Metalldeckel 81 und dem Steckergehäuse 33 eine axiale Feder 85 angeordnet, die das Steckergehäuse 33 axial gegen den Poltopf 15 presst.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung und die elektrische Kontaktierung des Sensorelements 74 variiert werden. Ebenso kann die Lage der Kontaktlaschen 34 und der Einlege-Leiter 116 an das entsprechende Steckergehäuse 33 angepasst werden. Die Gestaltung des Anschluss-Steckers 37 und des Signalgebers auf der Rotorwelle 20 können entsprechend den Kundenanforderungen variiert werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung in einer Getriebe-Antriebseinheit als Motorraumsteller im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von beweglichen Teilen oder Betreiben von Pumpen im Motorraum, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011084763 A1 [0002]
