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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, in dem eine Rotorwelle gelagert ist. Das Deckelteil ist hierbei aus Kunststoff gefertigt und weist elektrische Leiterelemente zur Verschaltung der elektrischen Wicklung des Stators auf. Dabei werden die Spulendraht-Enden der Wicklungen axial durch das Deckelteil hindurchgeführt und an der Oberseite des Deckelteils mit den Leiterelementen verbunden. Das Deckelteil weist eine seitliche Erweiterung auf, die als Anschluss-Stecker ausgebildet ist, dessen Pins sowohl mit den Leiterelementen als auch mit einer Leiterplatte verbunden sind. An einem freien Ende der Rotorwelle ist ein Signalgeber für eine Rotorlageerkennung angeordnet. Axial gegenüberliegend zum Signalgeber liegt die Leiterplatte, auf der ein nicht näher dargestelltes Sensorelement zur Signalauswertung angeordnet ist.
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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 Verbindungen zwischen der Leiterplatte und den Leiterelementen des Kunststoff-Lagerschilds zerstört werden. Bei der Montage müssen zuerst die elektrischen Kontakte der Leiterelemente zum Anschluss-Stecker ausgeführt werden, bevor dann in einem separaten Prozess-Schritt die Leiterplatte aufgesetzt werden kann.
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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, das durch die Ausbildung der radialen Fenster im Steckergehäuse eine Möglichkeit geschaffen wird, die elektrischen Kontakte des Steckergehäuses erst nach dem Anordnen des Steckergehäuses auf dem Poltopf mit dem vom Stator kommenden elektrischen Leitern kontaktiert werden können. Dadurch können vorab alle elektrischen und elektronischen Bauteile im Inneren des Steckergehäuses vormontiert und untereinander kontaktiert werden, so dass nach der Montage des Steckergehäuses keine Leiterplatte oder sonstige elektrische oder elektronische Bauteile mehr angebunden werden müssen. Durch den radialen Eingriff der Schweiß-Zangen durch die radialen Fenster in der Umfangswand des Steckergehäuses können die Schweißverbindungen vorteilhaft innerhalb des Hohlraums des Steckergehäuses ausgebildet werden, wodurch kein zusätzlicher Bauraum axial oder radial außerhalb des Steckergehäuses notwendig ist. Die Anordnung der elektrischen Kontakte und der entsprechenden Gegenkontakte kann innerhalb des Steckergehäuses radial soweit außen erfolgen, dass die Schweiß-Zange die Kontakte mit den Gegenkontakten durch die radialen Fenster hindurch bequem umgreifen kann. Dadurch ist ein sicherer Kontaktierungsprozess gewährleistet, bei dem keine anderen elektrischen Bauteile oder Kontakte durch die Schweiß-Werkzeuge beschädigt werden können.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Durch die Ausbildung der Schweißverbindung zwischen den elektrischen Kontakten des Steckergehäuses mit den elektrischen Gegenkontakten des Stators kann die elektrische Maschine bei sehr hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden, bei den bspw. Lötverbindungen zerstört werden. Ebenso sind solche Schweißverbindungen sehr robust gegenüber äußeren Erschütterungen, so dass die elektrische Maschine bspw. auch äußere Beschleunigungen von bis zu 30 g (g = Erdbeschleunigung) ausgesetzt werden können. Bevorzugt wird die Schweißverbindung durch Widerstandsschweißen ausgeführt, bei der eine Schweiß-Zange radial in die radialen Fenster des Steckergehäuses eingreift und die elektrischen Kontakte mit den Gegenkontakten zusammendrückt und verschweißt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, diese Schweißverbindungen mittels Laserschweißen auszuführen, bei dem der Laserstrahl durch die radialen Öffnungen auf die elektrischen Kontakte und Gegenkontakte trifft.
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Bevorzugt werden diese Schweißkontakte für die elektrischen Leiter der Stromversorgung der elektrischen Spulen für die elektrische Maschine ausgebildet. Dabei leiten die Strom-Pins des Anschluss-Steckers den Strom über die Schweißverbindungen zu den Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte, die wiederum zuvor mit den elektrischen Spulen des Stators kontaktiert wurden. Über diese Verbindungen kann die elektrische Maschine auch mit hohen Motorströmen versorgt werden. Besonders günstig ist es hierbei, dass sich sowohl die Kontaktlaschen des Steckergehäuses axial nach unten, als auch die Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte axial nach oben in den Innenraum des Steckergehäuses erstrecken, so dass sie dort auf direktem Wege miteinander verschweißt werden können.
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Die Verschaltungsplatte ist besonders kompakt ausgeführt, indem Leiterelemente als Einlegeteile von einem Kunststoffkörper umspritzt sind. Dabei treten aus dem Kunststoffkörper einerseits die Anschluss-Pins zu den elektrischen Kontakten im Steckergehäuse hin aus. Andererseits ragen aus dem Kunststoffkörper Befestigungsbereiche der Leiterelemente, die direkt mit den elektrischen Spulen, insbesondere deren Spulendrahtenden verbunden sind. Für eine kompakte Bauweise der elektrischen Maschine liegt die Verschaltungsplatte axial direkt über den Spulen und wird von einem darüber angeordneten Lagerschild umschlossen, das bspw. am Poltopf festgeschweißt ist. Die Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte erstrecken sich dabei vorteilhaft axial durch entsprechende Freisparungen im Lagerschild hindurch.
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Überlappen sich die elektrischen Kontakte des Steckergehäuses in Axialrichtung mit den Gegenkontakten des Stators, wird im Steckergehäuse kein zusätzlicher Bauraum für das Ausbilden der Schweißverbindungen benötigt.
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Um unterschiedliche Temperaturausdehnungen der einzelnen Bauteile der elektrischen Maschine über einen großen Temperaturbereich auszugleichen, sind die Kontaktlaschen am Steckergehäuse mit einem elastischen Bereich ausgebildet. Ebenso sind die Anschluss-Pins über federnde Bereiche an die Leiterelemente der Verschaltungsplatte angebunden. Dadurch können sowohl Temperaturschwankungen als auch Erschütterungen ausgeglichen werden, ohne dass die Schweißverbindung zerstört wird.
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Zusätzlich zu den Stromkontakten U, V, und W wird auch ein Anschlussdraht eines im Steckergehäuse angeordneten Kondensators mit einem entsprechenden Massekontakt auf dem Lagerschild verschweißt. Der Kondensator ist bevorzugt als Entstörkondensator mit einem Sensorelement im Steckergehäuse verbunden. Der Massekontakt ist besonders günstig als gut leitende axial abstehende Kontaktlasche am Lagerschild angeordnet, das wiederum mit dem Poltopf verschweißt ist. Bei dieser Verbindung kann mittels des gleichen Schweißverfahrens auch der Anschlussdraht des Kondensators direkt mit dem Massekontakt durch das Eingreifen des Schweiß-Werkzeugs durch ein entsprechendes radiales Fenster im Steckergehäuse verbunden werden.
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Der Sensor im Steckergehäuse ist besonders günstig als Magnetfeldsensor ausgebildet, der axial gegenüberliegend zu einem entsprechenden Signalgeber angeordnet ist, der wiederum auf dem freien Ende der Rotorwelle befestigt ist. Die Rotorwelle ragt dabei durch das Lagerschild hindurch in den Innenraum des Steckergehäuses, so dass der Sensormagnet axial sehr nahe am Sensorelement angeordnet ist. Die Kontaktlaschen der Stromversorgung und der Entstörkondensator sind hierbei radial außerhalb des Sensormagnets und des Signalgebers angeordnet, so dass die Schweißprozesse das Sensorsystem nicht tangieren.
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Das Steckergehäuse wird mittels Zentriermitteln gegenüber der Verschaltungsplatte in der korrekten Drehlage axial eingefügt. Dadurch ist gewährleistet, dass die elektrischen Kontakte und die Gegenkontakte in Umfangsrichtung so nah beieinander angeordnet sind, dass sie von dem Schweiß-Werkzeug direkt zusammen umgriffen werden können. Für die korrekte Drehlage (Zentrierung in Umfangsrichtung) sind bspw. an dem Lagerschild, das am Poltopf festgeschweißt ist, sowohl axiale Zentrierlaschen nach oben als auch nach unten abgewinkelt, die jeweils in entsprechende Zentrieraufnahmen im Steckergehäuse und in die Verschaltungsplatte eingreifen.
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Das Steckergehäuse ist vorteilhaft als Kunststoff-Spritzgussbauteil ausgebildet, wobei der Anschluss-Stecker mit dem Steckerkragen integraler Bestandteil dieses Bauteils ist. Das Steckergehäuse weist eine ringförmige Umfangswand auf, die sich axial am Poltopf anschließt. Der Anschluss-Stecker ist dabei an einer oberen axialen Deckelwand angeordnet und ragt bevorzugt radial nicht über den Außendurchmesser der Umfangswand hinaus. In der zylinderförmigen Umfangswand können die radialen Fenster als genügend große Freisparungen beim Spritzgießen in sehr einfacher Weise ausgebildet werden. Dabei verleiht der in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildete axiale untere Rand der Umfangswand eine ausreichende Stabilität des Steckergehäuses, wobei durch die Ausbildung der radialen Fenster gleichzeitig Kunststoffmaterial eingespart wird. In der Umfangswand sind bevorzugt genau drei radiale Fenster ausgeformt, durch die das Schweißwerkzeug jeweils die Schweißverbindungen für die Stromkontakte u, v und w ausbilden kann. Besonders günstig ist es ein zusätzliches viertes radiales Fenster auszubilden, durch das hindurch der Entstörkondensator mit dem Massekontakt verschweißt werden kann.
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Um das Gehäuse der elektrischen Maschine nach außen abzudichten, wird nach dem Verschweißen der elektrischen Kontakte mit den Gegenkontakten ein zylindrisches Metallgehäuse über das Steckergehäuse gefügt, das die radialen Fenster vollständig abdeckt. Das Metallgehäuse wird einerseits am Poltopf dicht festgeschweißt und mittels eines Dichtrings gegenüber dem Anschlussstecker abgedichtet, der durch eine entsprechende Aussparung axial durch das Metallgehäuse nach oben ragt. Durch das Anschweißen des Metalldeckels an des Polgehäuse wird das Steckergehäuse über das axiale Federelement in konstant gleichbleibendem Abstand zum Signalgeber gehalten, so dass das Sensorsignal des 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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Durch das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren kann sowohl der Stator mit dem Lagerschild, als auch das Steckergehäuse jeweils als vorgefertigte Einheit hergestellt werden, die dann axial ineinander gefügt werden. Durch die radialen Fenster im Steckergehäuse können dann die elektrischen Kontakte mit den entsprechenden Gegenkontakten innerhalb des Gehäuses elektrisch verbunden werden. Dabei sind alle elektrischen Kontakte mit den entsprechenden Gegenkontakten radial innerhalb der Umfangswand des Steckergehäuses und radial innerhalb des Außendurchmessers des Poltopfs angeordnet, sodass die elektrische Maschine eine schlanke zylindrische Bauform ohne radiale Überstände bildet.
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Besonders günstig ist es, nach dem Einfügen der bewickelten Spulenträger und des Rotors in den Poltopf axial direkt die Verschaltungsplatte einzufügen und den Poltopf mit dem Lagerschild abzuschließen. Wird das Lagerschild am äußeren radialen Rand des offenen Poltopfes festgeschweißt, bildet dieser eine vorgefertigte Baueinheit, in der der Rotor bereits vollständig gelagert ist. Die Anschluss-Pins der Verschaltungsplatte können durch Freisparungen im Lagerschild axial nach oben abstehen, um später mit den elektrischen Kontakten des Steckergehäuses verbunden zu werden. Das Verschweißen des Lagerschilds am Poltopf versteift den Gesamtaufbau der elektrischen Maschine und gewährt die Wärmeableitung aus den elektrischen Wicklungen, wodurch eine Überhitzung des Magnetfeldsensors vermieden wird.
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Ebenso kann das Steckergehäuse vorab komplett mit allen elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückt und diese untereinander elektrisch kontaktiert werden, wozu vorteilhaft elektrische Leiter als Einlegeteile im Steckergehäuse umspritzt sind. Werden ein Drehlagensensor und entsprechende Entstörbauteile ohne die Verwendung einer Leiterplatte direkt an der Innenwand des Steckergehäuses befestigt, können diese Elektronikkomponenten auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden. Durch die Ausbildung der elektrischen Kontakte im Innern des Steckergehäuses können die Stecker-Pins und ggf. die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile in einfacher Weise nach dem Einpressen des Steckergehäuses in den Poltopf elektrische mit entsprechenden Gegenkontakten verbunden werden.
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Prozesstechnisch ist es besonders günstig, wenn alle Schweißkontakte zwischen den elektrischen Kontakten und den Gegenkontakten mit dem gleichen Schweiß-Werkzeug durchgeführt werden, wobei bspw. alle vier Kontakte simultan durch das Eingreifen mehrerer Schweiß-Werkzeuge in die radialen Fenster durchgeführt werden kann, oder mit einem einzigen Schweiß-Werkzeug die einzelnen Schweißverbindungen nacheinander ausgeführt werden können. Nach der Fertigstellung der Schweißverbindungen kann über das Steckergehäuse ein weiteres Metallgehäuse aufgesetzt werden, das sowohl gegenüber dem Poltopf als auch gegenüber dem Anschlussstecker, der durch eine axiale Aussparung im Metallgehäuse nach außen ragt abgedichtet werden.
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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 die Draufsicht auf das montierte Lagerschild gemäß 1,
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4 schematisch den Schweißprozess am Ausführungsbeispiel gemäß 1 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 Einzelsegmente 62 separat 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 hindurchragt, 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 elektrische 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 hindurchragen kann.
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Axial oberhalb der Verschaltungsplatte 22 ist ein Lagerschild 54 angeordnet, das an seinem radial äußeren Rand 96 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 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 35 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 Verschaltungsplatte 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 – beispielsweise eine Spiralfeder 87 – 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 Anschlusssteckers 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 101 auf, die mit entsprechenden Gegenelementen 100 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 Innenseite des Metalldeckels 81 ist ein Radialdichtring 84 eingepresst, der die elektrische Maschine 10 zum Anschlussstecker 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 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 elastischen Bereichen 38, 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 43 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. Die Anschluss-Beinchen 106 sind dann in den Gabeln 114 der Einlege-Leiter 116 festgeschweißt, vorzugsweise mittels Widerstandsschweißen. Damit genügend Platz für die Schweiß-Werkzeuge 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. 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. Des Weiteren ist 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 ausgebildet und wird erst nach dem Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf den Poltopf 15 mit einem entsprechenden Massekontakt 95 des Lagerschilds 54 elektrisch verbunden, vorzugsweise verschweißt.
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Alternativ ist gemäß 5 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 5 ist die Kontaktfeder 262 als Spiralfeder ausgebildet, die unmittelbar auf einen sich axial verjüngenden Fortsatz 263 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 6 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 ist wiederum bevorzugt mittels einer Schweißverbindung 135 an der Kontaktzunge 272 des Kontaktelements 260 kontaktiert.
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In 3 ist die elektrische Maschine gemäß 1 ohne Steckergehäuse 33 und Metalldeckel 81 dargestellt. Das Lagerschild 54 ist an den äußeren radialen Enden 96 der radialen Stege 59 am Poltopf 15 festgeschweißt. Zur Montage des Lagerschilds 54 wird dieses beispieslweise in einem axialen Absatz 89 des Poltopfs 15 radial verspannt. Beispielsweise sind an dessen äußerem Umfang Lagerschilds 54 Federzungen 88 angeordnet, die das Lagerschild 54 in einem axialen Absatz 89 des Poltopfs 15 radial verspannen. Die Federzungen können als axiale Laschen an den radialen Enden 96 der Stege 59 ausgebildet sein, die radial federnd am Innenumfang des Polgehäuses 15 anliegen. Dadurch ist das Lagerschild 54 für den Schweißprozess exakt im Poltopf 15 zentriert. Dabei wird bevorzugt eine Schweißnaht 90 in Umfangsrichtung 2 entlang dem radial äußeren Rand 96 der radialen Stege 59 ausgebildet. Dadurch ist eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Lagerschild 54 und dem Poltopf 15 gewährleistet. Zwischen zwei radialen Stegen 59 ist jeweils eine Freisparung ausgespart, durch die die Aufnahmehülsen 27 und die Anschluss-Pin 26 axial hindurchgeführt sind. Die Freisparungen 91 sind bei dieser Ausführung beispielsweise radial zum Poltopf 15 hin offen ausgebildet. Die Anschluss-Pins 26 sind radial weiter innen als die Aufnahmehülsen 27 angeordnet. Daher sind für die drei Anschluss-Pins 26 drei zusätzliche radiale Vertiefungen 92 im Lagerschild 54 ausgeformt, in dem sich die Anschluss-Pin 26 aufgrund ihrer federnden Anbindung an die Verschaltungsplatte 22 mittels der federnden Bereiche 38 in gewissen Grenzen in Umfangsrichtung 2 und Radialrichtung 3 bewegen können. Im Ausführungsbeispile sind im Lagerschild 54 beispielsweise sechs Freisparungen 91 ausgeformt, wobei in drei benachbarten Freisparungen 91 die zusätzlichen radialen Ausschnitte 92 für die Anschluss-Pins 26 ausgebildet sind. An den anderen Freisparungen 91 sind dann die Positionierelemente 60 und ein Massekontakt 95 zur EMV-Entsörungung ausgebildet. Entlang den Stegen 59 sind in Radialrichtung 3 verlaufenden Sicken 93 ausgeformt. Diese sind beispielsweise als radial nach unten eingedrückte Kerben ausgebildet. Diese Sicken 93 verlaufen vom radial äußeren Rand 96 der Stege 59 bis in einen radialen mittleren Bereich 94 des Lagerschilds 54, der als in Umfangsrichtung 2 geschlossene Ringfläche 94 ausgebildet ist. In diesen radial mittleren Bereich 94 sind als axiale Federmittel 246 Federlaschen 46 in Umfangsrichtung 2 aus dem Lagerschild 54 ausgestanzt, die axial nach unten abgewinkelt sind. Im festgeschweißten Zustand des Lagerschilds 54 pressen diese tangentialen Laschen 46 die Verschaltungsplatte 22 axial gegen die Spulenträger 36. Als Positionierelement 60 ist eine erste Positionierlasche 100 axial nach unten gebogen, wo sie in ein entsprechendes Gegenelement 101 der Verschaltungsplatte 22 eingreift, um ein Verdrehen der Verschaltungsplatte 22 zu verhindern. Des Weiteren ist am Lagerschild 54 als weiteres Positionierelement 60 eine zweite Zentrierlasche 102 axial nach oben abgewinkelt, die in ein entsprechendes zweites Gegenelement 103 am Steckergehäuse 33 eingreift, um ein Verdrehen des Steckergehäuses 33 zu verhindern. Dadurch wird mittels des Biege-Stanz-Prozesses zur Herstellung des Lagerschilds 54 gleichzeitig die axiale Vorspannung gegenüber der Verschaltungsplatte 22 als auch die Verdrehsicherung der Verschaltungsplatte 22 und des Steckgehäuses 33 realisiert. Am Lagerschild 54 ist der Massekontakt 95 angeordnet, der beispielsweise mit einem Entstörkondensator und/oder dem Sensorelement 74 des Steckergehäuses 33 kontaktiert werden kann. Da die Oberfläche des Lagerschilds 54 mit Zink oder einem Oxid beschichtet sein kann, ist der Massekontakt 95 aus einem elektrisch gut leitenden Metall, beispielsweise aus Kuper ausgebildet. Dazu wird der Massekontakt 95 als separates Bauteil hergestellt und an der Oberfläche des Lagerschilds 54 befestigt, beispielsweise mittels Nieten 97. Alternativ kann der Massekontakt 95 jedoch auch direkt an der Oberfläche des Lagerschildes 54 ausgebildet sein, an dem ein axial federnder Federkontakt 262, 264 angelegt werden kann. Im radial mittleren Bereich des Lagerschilds 54 ist als zweiter Lagersitz 55 ein zylindrischer Fortsatz 53 an dem geschlossenen Ringbereich 94 des Lagerschilds 54 angeformt. Dabei erstreckt sich der axiale Fortsatz 53 etwa über den gesamten axialen Bereich der Verschaltungsplatte 22. Die radialen Stege 59 sind dabei gewölbt oder abgewinkelt ausgebildet, so dass das Lagerschild 54 die Verschaltungsplatte 22 in Axialrichtung praktisch vollständig umschließt. In den axialen Fortsatz 53 ist der Außenring 58 des zweiten wälzlagers 56 eingepresst. Im Magnethalter 78 der Rotorwelle 20 ist ein scheibenförmiger Sensormagnet 76 eingeklebt, der als Signalgeber 75 für die Drehlageerkennung wirkt.
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4 zeigt eine elektrische Maschine 10, bei der das Steckergehäuse 33 auf den Poltopf 15 aufgesetzt ist, bevor der Metalldeckel 81 über das Steckergehäuse 33 gefügt wird. Das Steckergehäuse 33 weist an seinem offenen Ende zum Poltopf 15 hin einen über den gesamten Umfang geschlossenen Rand 140 auf. Vom unteren Rand 140 erstreckt sich in Axialrichtung 4 die Umfangswand 83, in der radiale Fenster 110 für den Eingriff von Schweiß-Werkzeugen 150 ausgeformt sind. Auf der linken Seite ist im Steckergehäuse 33 ein erstes radiales Fenster 142 ausgeformt, durch das hinein die Schweiß-Werkzeuge 150 radial hineingeführt werden. Für den Schweißvorgang wird dann hier der Massekontakt 95 in Umfangsrichtung 2 gegen den freien Kondensatoranschluss 134 gepresst, und dann verschweißt. In Umfangsrichtung 2 benachbart sind dann die weiteren radialen Fenster 143 angeordnet, durch die hindurch mittels der Schweiß-Werkzeuge 150 die Anschluss-Pins 26 mit den Kontaktlaschen 34 des Steckergehäuses 33 verschweißt werden. Es ist ersichtlich, dass die Anschluss-Pins 26 sich in Axialrichtung 4 parallel zu den Kontaktlaschen 34 erstrecken. Dabei überlappen diese in Axialrichtung 4 und liegen bzgl. der Umfangsrichtung 2 aneinander an. Während des Schweißvorgangs wird das Steckergehäuse 33 von einer Montagevorrichtung axial gegen den Poltopf 15 gedrückt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Stator 16 bspw. zwölf einzelne Spulen 63 auf, die zu drei Phasen U, V, W mittels der Verschaltungsscheibe 22 verschaltet sind. Dabei werden bei dieser Ausführung die Schweißverbindungen 151 zwischen den Anschluss-Pins 26 und den Kontaktlaschen 34 – und insbesondere ebenso die Schweißverbindung 151 zwischen dem Massekontakt 95 und dem freien Kondensatoranschluss 134 – mit einem identisch ausgebildeten Schweiß-Werkzeug 150 realisiert. Die Umfangswand 83 weist hier im Bereich der radialen Fenster 110 einen radialen Versatz 146 auf, um einen ringförmigen axialen Bund 144 für den Dichtring 84 auszubilden. Der Dichtring 84 wird axial auf diesen ringförmigen Bund 144 aufgesetzt, so dass er radial an einer ringförmigen radialen Dichtfläche 148 der Umfangswand 83 anliegt. Dabei liegt der Übergang von der Deckelwand 117 zum Anschlussstecker 37 radial vollständig innerhalb dieser radialen Dichtfläche 148. Am ringförmig geschlossenen Rand 140 ist ein axialer Anschlag 152 angeformt, an dem sich eine axiale Feder 85 abstützen kann. Die axiale Feder 85 ist bspw. als Rohrfeder 185 ausgebildet, die axial auf das Steckergehäuse 33 bis zum Axialanschlag 152 gefügt wird. Wie in 1 ersichtlich, wird dann über das Steckergehäuse 33 der Metalldeckel 81 axial montiert, so dass dessen zylindrische Metallwand 82 die radialen Fenster 110 überdeckt. Dabei dichtet der Dichtring 84 die radiale Dichtfläche 148 des Steckergehäuses 33 gegenüber der Innenseite des Metalldeckels 81 ab. Bei der Montage des Metalldeckels 81 wird dieser gegen die axiale Federkraft der Axialfeder 85 axial gegen den Flansch 32 des Polgehäuses 15 gepresst und mit einer Schweißnaht 154 über den gesamten Umfang verschweißt. Der Anschluss-Stecker 37 ragt dabei durch eine Aussparung 39 an der axial oberen Seite aus dem Metalldeckel 81 heraus. In einer bevorzugten Ausführung sind dann die Strom-Pins 43 und Sensor-Pins 41 in Radialrichtung 3 abgewinkelt, so dass ein korrespondierender Kundenstecker in Radialrichtung 3 in den Steckerkragen 132 einschiebbar ist. Dabei ragt der Anschlussstecker 37 mit dem Steckerkragen 132 in Radialrichtung 3 nicht über die kreisförmige Aussparung 39 im Metalldeckel 81 hinaus. In einer alternativen Ausführung können sich die Strom-Pins 43 und Sensor-Pins 41 im Anschlussstecker 37 auch axial erstrecken, so dass der entsprechende Kundenstecker in Axialrichtung 4 von oben auf den Steckerkragen 132 geschoben werden kann. Ist anstelle des freien zweiten Kondensator-Anschlusses 134 eine separate Kontaktfeder 262 oder ein integrierter Federarm 264 am zweiten Kontaktelement 260 für den Kondensator ausgebildet, so entfällt die Schweißverbindung 151 und das erste Fenster 141 zur Kontaktierung des freien Kondensator-Anschlusses 134. Hingegen wird dann der Massekontakt direkt beim axialen Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf den Poltopf durch die federnde Kontaktierung mit dem Lagerschild 54 ausgebildet. Bei dieser Ausführung weist dann das Steckergehäuse 33 insgesamt nur genau drei Fenster 143 für die U, V, W-Verschweißung auf. In einer Variation der Ausführung können die Fenster 142, 143 auch nach unten axial offen ausgebildet sein (gestrichelt in 4 dargestellt). Dabei ist der Rand 140 über den Umfang nicht mehr geschlossen ausgebildet, sondern weist im Bereich der Fenster 142, 143 Unterbrechungen auf.
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Somit stützt sich das Steckergehäuse 33 in diesen Bereichen nur mit axialen Stegen zwischen den Fenstern 142, 143 am Polgehäuse 15 ab.
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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 100 des Lagerschilds in entsprechende Gegenelemente 101 der Verschaltungsplatte 22. 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 zweiten 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. Zu den 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 verschweißt werden, beziehungsweise die Kontaktfeder 262 oder der Federarm 264 gegen das Lagerschild 54 gepresst werden. Danach wird der Dichtring 84 auf die radiale Dichtfläche 148 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, wird zwischen dem Metalldeckel 81 und dem Steckergehäuse 33 eine axiale Feder 85 vorgespannt, 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 Anordnung des Entstörkondensators 111 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 75 auf der Rotorwelle 20 können entsprechend den Kundenanforderungen variiert werden. Die Anzahl und Form der radialen Fenster 110 kann ebenso wie die Anzahl der durch die Fenster 110 anzufertigenden Schweißverbindungen 151 an die Erfordernisse angepasst werden. Beispielsweise kann auch der Massekontakt 95 einteilig mit dem Lagerschild 54 gefertigt sein und die Anschluss-Pins 26 und/oder die Kontaktlaschen 34 gegebenenfalls radial abgewinkelt sein oder einen Gabelkontakt 114 miteinander bilden. Die Schweißverbindung 151 wird bevorzugt mittels Widerstandsschweißen gebildet, es ist jedoch auch Laserschweißen möglich. Bei einer Variante können die Anschluß-Pins 26 auch auf andere Weise verschweißt werden, als der Massekontakt 95 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]
